23.11.2021 - Universität Regensburg

El diodo superconductor

Los científicos exploran los circuitos electrónicos sin disipación de calor

Cuando se tiene un smartphone en la mano o se pone la mano en la parte posterior de un PC de sobremesa, se nota: los cálculos electrónicos generan inevitablemente calor. Un equipo de científicos dirigido por el profesor Christoph Strunk y el doctor Nicola Paradiso, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Ratisbona, está investigando cómo cambiar esta situación en el futuro. Sus resultados se han publicado en la revista "Nature Nanotechnology".

La generación de calor en los cálculos electrónicos se debe a que la computación implica el control de muchas corrientes diminutas que fluyen en los circuitos que se abren y se cierran. Así que la pregunta es por qué no utilizar circuitos superconductores, que por definición conducen la corriente sin disipar energía, para evitar la generación de calor en los ordenadores.

El problema es que muchos de los componentes de los circuitos de la electrónica normal no tienen todavía una contrapartida superconductora. El ejemplo más importante es el diodo, un elemento clave en la electrónica. Como base del primer transistor, el diodo es una unión entre dos semiconductores con diferente dopaje a través de la cual la corriente puede fluir fácilmente (con baja resistencia) en una dirección y fuertemente (con alta resistencia) en la otra. La dirección depende de si la polaridad de la tensión aplicada coincide con la polaridad del dopaje en la unión.

"El mayor reto para construir un diodo superconductor es que los superconductores no distinguen entre izquierda y derecha. Su resistencia es nula independientemente de la dirección en que fluya la corriente", explica el Dr. Nicola Paradiso, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Ratisbona. Para resolver este problema, el equipo de investigación dirigido por el profesor Strunk en Ratisbona (en colaboración con el profesor Michael Manfra y colaboradores de la Universidad de Purdue y Microsoft Quantum Purdue, EE.UU.) ha utilizado arseniuro de indio, un semiconductor especial compuesto por elementos relativamente pesados. Aunque este semiconductor no es un superconductor, puede mantener una corriente resistiva entre dos conductores superconductores ordinarios (por ejemplo, el aluminio), creando lo que se conoce como una unión Josephson (B. Josephson, Premio Nobel 1973). Debido a la teoría especial de la relatividad, los electrones perciben el gran campo eléctrico de los iones pesados como un campo magnético. Este campo magnético afecta al momento magnético interno de los electrones -su espín- y crea el llamado acoplamiento espín-órbita.

¿Por qué es importante?

De hecho, este truco es la clave para que los electrones puedan distinguir la izquierda de la derecha. De hecho, debido al espín-órbita, el espín apuntará a un eje diferente dependiendo de la dirección de propagación. Si se aplica un campo magnético adicional en el plano transversal a la dirección de la corriente, su acoplamiento con los espines acabará por romper la simetría entre las dos polaridades de la corriente.

¿Cómo funciona un diodo superconductor?

A pequeñas corrientes, aunque los electrones puedan distinguir la izquierda de la derecha, mostrarán una resistencia nula en ambas direcciones. Sin embargo, si se aumenta la corriente hasta un determinado valor, el dispositivo pasa al estado disipativo con resistencia finita. El hecho de haber roto la simetría entre la izquierda y la derecha hace que los valores críticos para la corriente que se mueve a la derecha y a la izquierda sean diferentes. Para utilizar el diodo basta con aplicar un valor de corriente entre las dos corrientes críticas. La resistencia será cero sólo para una determinada polaridad de corriente. Dado que es el campo magnético externo el que indica a los electrones lo que es la izquierda y la derecha, cambiar su signo significa cambiar la izquierda y la derecha. Como resultado, la resistencia pasa de cero a un valor finito simplemente cambiando el signo del campo magnético.

¿Qué descubrió el equipo de investigación de la UR?

Para estudiar los detalles del mecanismo que produce el efecto de diodo superconductor, los investigadores han encontrado una forma de estudiar el estado aparentemente sin características y aburrido de la corriente baja, cuando la resistencia es idéntica a cero, independientemente de la dirección en que fluya la corriente. La idea es que, mientras la resistencia es estrictamente cero a baja corriente, la inductancia sigue siendo finita y proporciona una valiosa sonda de lo que ocurre con la supercorriente cuando la simetría izquierda-derecha se rompe gradualmente por un campo magnético. Resulta interesante que el equipo experimental haya encontrado el llamado efecto de anisotropía magneto-chiral. Este efecto se encontró en el pasado en metales ordinarios. Al medir la resistencia de cierta clase de metales que carecen de simetría de inversión, se encuentra que hay un término de corrección proporcional al producto del campo magnético y la corriente. El equipo de Ratisbona ha comprobado que las mismas relaciones son válidas para un diodo superconductor si se sustituye la resistencia (que es simplemente cero) por la inductancia.

Paradójicamente, desde el punto de vista teórico, trabajar con uniones Josephson podría ser más fácil que modelar superconductores a gran escala. El equipo teórico que rodea al profesor Jaroslav Fabian en Ratisbona pudo calcular la supercorriente en las uniones Josephson con acoplamiento espín-órbita y reproducir cuantitativamente los resultados de los experimentos.

La demostración del diodo superconductor abre el camino a la realización de componentes de circuito no triviales, completamente libres de resistencia. Tales componentes podrían ser la base de una nueva generación de circuitos electrónicos que no desperdicien energía ni tengan que luchar con el calor residual.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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