Przeskok kwantowy do diod nadprzewodnikowych
Międzynarodowy zespół naukowców wykazał, że heterostrukturę składającą się z nadprzewodników i magnesów można wykorzystać do wytworzenia prądu płynącego tylko w jednym kierunku, tak jak w diodach półprzewodnikowych. W swoim badaniu wspieranym przez finansowane ze środków UE projekty SUPERTED, TERASEC, SuperGate i SuperCONtacts naukowcy wykazali, że nowe diody nadprzewodnikowe działają w znacznie niższych temperaturach niż ich półprzewodnikowe odpowiedniki, co czyni je przydatnymi w technologiach kwantowych. Diody to elementy elektroniczne, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego tylko w jednym kierunku, jednocześnie blokując go w kierunku przeciwnym. Można je znaleźć w wielu używanych obecnie urządzeniach, takich jak odbiorniki radiowe, czujniki temperatury i ogniwa fotowoltaiczne. Diody takie wykorzystują właściwości elektroniczne układów półprzewodnikowych. Jednak ze względu na dużą przerwę energetyczną półprzewodniki nie działają w ekstremalnie niskich temperaturach poniżej zera bezwzględnego, które są wymagane w elektronice kriogenicznej i detekcji ultraczułej, czyli w przyszłych technologiach kwantowych. Przerwa energetyczna półprzewodnika to minimalna energia potrzebna do wzbudzenia elektronu tkwiącego w stanie związanym (czyli związanego z atomem) do stanu swobodnego, tak aby mógł on przewodzić prąd elektryczny. W porównaniu z półprzewodnikami nadprzewodniki wyróżniają się mniejszą przerwą energetyczną. To, oraz ich wewnętrznie niska impedancja, czyni nadprzewodniki idealnymi kandydatami do zastosowania w diodach kriogenicznych.
Przełamywanie symetrii
Jednakże, jak czytamy w artykule zamieszczonym na stronie „Mirage News”, chociaż naukowcy wiedzieli o istnieniu takiej przerwy od dziesięcioleci, wcześniej nie zaobserwowali tej cechy przypominającej działanie diody. Dzieje się tak dlatego, że stworzenie diody nadprzewodnikowej wymaga przełamania tzw. symetrii dziury elektronowej – zazwyczaj stabilnej symetrii charakteryzującej właściwości prądowo-napięciowe metalowego styku nadprzewodnika. Naukowcy pokazują teraz, jak można przełamać tę symetrię za pomocą izolatora ferromagnetycznego odpowiednio umieszczonego w złączu. Umożliwia to rozwój technologii kwantowych opartych na materiałach nadprzewodzących działających w bardzo niskich temperaturach. „Uważam, że to odkrycie jest obiecujące pod kątem szeregu zadań w dziedzinie technologii kwantowej, takich jak prostowanie lub ograniczanie prądu”, zauważa starszy autor badania dr Francesco Giazotto z Narodowego Ośrodka Badawczego (wł. Consiglio Nazionale delle Ricerche, CNR) we Włoszech, będącego gospodarzem i koordynatorem projektów TERASEC i SuperCONtacts oraz partnerem projektów SUPERTED i SuperGate. Dr Giazotto jest pracownikiem naukowym Instytutu Nanonauki (wł. Istituto Nanoscienze, NANO) w CNR. Pierwsza autorka badania, dr Elia Strambini, również z NANO CNR, opisuje odkrycie funkcji diody jako „miłą niespodziankę, będącą konsekwencją dokładnej charakterystyki próbek w ramach projektu SUPERTED”. To ona dokonała tego pierwszego odkrycia. „To odkrycie pokazało siłę współpracy między badaczami różnych dziedzin, od materiałoznawstwa po elektronikę i teorię nadprzewodnictwa”, zauważa prof. Tero Heikkilä z finlandzkiego Uniwersytetu Jyväskylä, koordynującego projekt SUPERTED (Thermoelectric detector based on superconductor-ferromagnet heterostructures). „Bez unijnego wsparcia taka współpraca nie miałaby miejsca”. Chociaż badanie było wspierane głównie przez projekt SUPERTED, częściowo udało się je sfinansować również w ramach projektów TERASEC (THz imaging technology for public security), SuperGate (Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics.) i SuperCONtacts (Solid state diffusion for atomically sharp interfaces in semiconductor-superconductor hybrid structures). Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”. Więcej informacji: strona projektu SUPERTED projekt TERASEC projekt SuperGate projekt SuperCONtacts
Słowa kluczowe
SUPERTED, TERASEC, SuperGate, SuperCONtacts, nadprzewodnik, dioda, kwant, półprzewodnik, prąd
