Físicos desarrollan circuito superconductor que puede revolucionar la tecnología para siempre

Investigadores han descubierto la superconductividad unidireccional sin necesidad de utilizar campos magnéticos, lo que podría constituir un momento histórico para el desarrollo de ordenadores superconductores.

Al cambiar un material clásico por otro con propiedades cuánticas únicas, científicos han descubierto la superconductividad unidireccional sin campos magnéticos, algo que se creía imposible desde su descubrimiento en 1911, hasta ahora, según un nuevo estudio publicado en Nature.

El profesor asociado Mazhar Ali y su grupo de investigación de la Universidad Técnica de Delft utilizaron materiales cuánticos en 2D para permitir que la electricidad fluya en un solo sentido a través de un material superconductor, todo ello sin pérdida de energía, lo que permite que la electrónica sea cientos de veces más rápida de lo que es posible actualmente con los semiconductores.

El diodo de Josephson sin campo en una heteroestructura de van der Waals

El análogo superconductor del diodo semiconductor, el diodo de Josephson, se ha buscado durante mucho tiempo y los teóricos (1, 2, 3) propusieron múltiples vías de realización. Al mostrar superconductividad unidireccional libre de campos magnéticos con acoplamiento de Josephson, serviría como componente básico para la tecnología de circuitos superconductores de próxima generación.

Los científicos realizaron el diodo de Josephson fabricando una simetría de inversión que rompe la heteroestructura de van der Waals de NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂. Demostrando que incluso sin un campo magnético, la unión puede ser superconductora con una corriente positiva y resistiva con una corriente negativa.

El comportamiento ΔI_c (la diferencia entre las corrientes críticas positivas y negativas) con el campo magnético es simétrico y el acoplamiento de Josephson se prueba a través del patrón de Fraunhofer. Además, se logró una rectificación estable de media onda de una excitación de onda cuadrada con una densidad de corriente de conmutación muy baja, una relación de rectificación alta y una gran robustez.

Así, los circuitos de alta velocidad y bajo consumo basados en la física de la superconductividad – que se consigue cuando un material desciende por debajo de una temperatura «crítica» (alrededor de -269 °C)– podrían abrir una oportunidad de oro para llevar la tecnología de supercomputación a un nivel completamente nuevo.

Este comportamiento no recíproco viola fuertemente las relaciones de Josephson conocidas y abre la puerta para descubrir nuevos mecanismos y fenómenos físicos a través de la integración de materiales cuánticos con uniones de Josephson, y proporciona nuevas vías para dispositivos cuánticos superconductores.

«Si el siglo XX fue el siglo de los semiconductores, el XXI puede ser el siglo de los superconductores«, aseguró Ali, primer autor del trabajo, en un comunicado de prensa de la Universidad Técnica de Delft.

El desarrollo del circuito superconductor que se creía imposible, abre el camino a los ordenadores del futuro

Ali asegura que, una vez consigan incrementar la temperatura operativa de estos diodos podrán comenzar la construcción comercial de nuevos procesadores con superconductores. Por ahora han conseguido fabricar varios nanodispositivos en el laboratorio sin problemas, con resultados consistentes. “El siguiente paso es investigar cómo producir millones de esos diodos Josephson en un chip”, afirma Ali.

Al contrario que las tecnologías cuánticas — que todavía están en su infancia y requieren de formas de computación exóticas que no los hacen factibles para aplicaciones convencionales — un chip fabricado con estos diodos superconductores podría usarse de forma directa en computadoras ordinarias. No requerirían ni de lógica especial ni ninguna otra modificación: sencillamente se comportarían como un procesador normal corriendo a una frecuencia de varios teraherzios en vez de un par de gigaherzios. Por eso estos nuevos chips pueden revolucionar la informática a corto plazo, dice Ali, incrementando vertiginosamente la capacidad de proceso a la vez que recortan el consumo de energía global. Algo que puede inaugurar una nueva era tecnológica en el siglo XXI.

1. Misaki, K. & Nagaosa, N. Theory of the nonreciprocal Josephson effect. Phys. Rev. B 103, 245302 (2021) 

2. Hu, J., Wu, C. & Dai, X. Proposed design of a Josephson diode. Phys. Rev. Lett. 99, 067004 (2007) 

3. Chen, C.-Z. et al. Asymmetric Josephson effect in inversion symmetry breaking topological materials. Phys. Rev. B 98, 075430 (2018).