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Sep 01, 2023

Um dispositivo supercondutor simples pode reduzir drasticamente o uso de energia na computação e em outras aplicações

Imagem anterior Próxima imagem Cientistas do MIT e seus colegas criaram um dispositivo supercondutor simples que poderia transferir corrente através de dispositivos eletrônicos com muito mais eficiência do que é possível

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Cientistas do MIT e seus colegas criaram um dispositivo supercondutor simples que poderia transferir corrente através de dispositivos eletrônicos com muito mais eficiência do que é possível hoje. Como resultado, o novo diodo, uma espécie de interruptor, poderia reduzir drasticamente a quantidade de energia utilizada em sistemas de computação de alta potência, um grande problema que se estima que se tornará muito pior. Embora esteja nos estágios iniciais de desenvolvimento, o diodo é duas vezes mais eficiente que outros similares relatados por outros. Poderia até ser parte integrante das tecnologias emergentes de computação quântica.

O trabalho, que é divulgado na edição online de 13 de julho da Physical Review Letters, também é tema de reportagem na revista Physics Magazine.

“Este artigo mostra que o díodo supercondutor é um problema totalmente resolvido do ponto de vista da engenharia”, diz Philip Moll, diretor do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, na Alemanha. Moll não estava envolvido no trabalho. “A beleza deste trabalho é que [Moodera e colegas] obtiveram eficiências recordes sem sequer tentar [e] suas estruturas ainda estão longe de estar otimizadas.”

“Nossa engenharia de um efeito de diodo supercondutor que é robusto e pode operar em uma ampla faixa de temperatura em sistemas simples pode potencialmente abrir a porta para novas tecnologias”, diz Jagadeesh Moodera, líder do trabalho atual e cientista pesquisador sênior do Departamento de Pesquisa do MIT. Física. Moodera também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais, ao Laboratório Francis Bitter Magnet e ao Centro de Ciência e Fusão de Plasma (PSFC).

O diodo retangular nanoscópico – cerca de 1.000 vezes mais fino que o diâmetro de um fio de cabelo humano – é facilmente escalonável. Milhões poderiam ser produzidos em um único wafer de silício.

Rumo a um interruptor supercondutor

Os diodos, dispositivos que permitem que a corrente viaje facilmente em uma direção, mas não na direção inversa, são onipresentes nos sistemas de computação. Os chips de computador semicondutores modernos contêm bilhões de dispositivos semelhantes a diodos, conhecidos como transistores. No entanto, estes dispositivos podem ficar muito quentes devido à resistência elétrica, exigindo grandes quantidades de energia para arrefecer os sistemas de alta potência nos centros de dados por detrás de inúmeras tecnologias modernas, incluindo a computação em nuvem. De acordo com uma notícia de 2018 na Nature, esses sistemas poderiam usar quase 20% da energia mundial em 10 anos.

Como resultado, o trabalho para a criação de diodos feitos de supercondutores tem sido um tema quente na física da matéria condensada. Isso ocorre porque os supercondutores transmitem corrente sem nenhuma resistência abaixo de uma certa temperatura baixa (a temperatura crítica) e são, portanto, muito mais eficientes do que seus primos semicondutores, que apresentam perda perceptível de energia na forma de calor.

Até agora, porém, outras abordagens do problema envolveram física muito mais complicada. “O efeito que encontramos se deve [em parte] a uma propriedade onipresente dos supercondutores que pode ser realizada de uma maneira muito simples e direta. Isso apenas te encara”, diz Moodera.

Diz Moll, do Instituto Max Planck: “O trabalho é um contraponto importante à moda atual de associar diodos supercondutores [com] física exótica, como estados de emparelhamento de momento finito. Embora, na realidade, um diodo supercondutor seja um fenômeno comum e difundido, presente em materiais clássicos, como resultado de certas simetrias quebradas.”

Uma descoberta um tanto fortuita

Em 2020, Moodera e colegas observaram evidências de um par de partículas exóticas conhecido como férmions de Majorana. Esses pares de partículas podem levar a uma nova família de qubits topológicos, os blocos de construção dos computadores quânticos. Ao ponderar abordagens para a criação de diodos supercondutores, a equipe percebeu que a plataforma de material desenvolvida para o trabalho de Majorana também poderia ser aplicada ao problema dos diodos.