Eenrichtingssupergeleiding: TU Delft zet essentiële stap voor next-gen computing

"Het feit, experimenteel aangetoond, dat een zuiver metaal in een staat gebracht kan worden dat zijn elektrische weerstand nul wordt, is van het grootste belang." Die passage is opgetekend naar aanleiding van experimenten van de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes in 1911. De in Groningen geboren fysicus kwam tot zijn ontdekking op wat toen 'het koudste plekje op aarde' was. In het koudelaboratorium in Leiden onderzocht hij eigenschappen van materie bij lage temperaturen, tot enkele graden boven het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius.

Kamerlingh Onnes kwam tot die lage temperaturen met behulp van een experimentele opstelling van buizen, pompen, kranen en druk- en koelvaten. Het lukte hem na vele jaren ploeteren om helium vloeibaar te maken. Dat huzarenstukje stelde hem in staat verschillende metalen in het koude goedje onder te dompelen en te meten wat er met de weerstand gebeurde bij extreem lage temperaturen. Op de bewuste 8 april in 1911 constateerde hij dat de weerstand van kwik bij 4,2 kelvin of -269 graden Celsius tot nul gereduceerd was en daarmee was de ontdekking van het fenomeen 'suprageleiding' oftewel supergeleiding een feit.

Heike Kamerlingh Onnes (rechts) en technicus Gerrit Flim in het Leidense laboratorium met de stellage voor vloeibare helium, ongeveer 1911. Bron: Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde — Heike Kamerlingh Onnes (rechts) en technicus Gerrit Flim in het Leidse laboratorium met de stellage voor vloeibare helium, ongeveer 1911. Bron: Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde, The discovery of superconductivity

Dat stroom zonder weerstand door metalen kon gaan, bleek inderdaad van groot belang. Het fenomeen 'supergeleiding' staat aan de basis van qubits voor quantumcomputers. Maar supergeleiding is ook essentieel voor onder andere mri-scanners, magneten in de Large Hadron Collider en spoelen voor tokamaks voor kernfusie, zoals ITER. Op papier is supergeleiding ook zeer interessant voor elektronica en computers. De afwezigheid van weerstand zou grote voordelen kunnen bieden als het gaat om efficiëntie, warmteontwikkeling en snelheid. Computers met supergeleidende componenten zouden daardoor niet alleen zuiniger, maar ook veel sneller kunnen worden.

IBM's supergeleidingcomputer

Dat bedacht IBM ook in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw. Het bedrijf startte een onderzoeksproject naar wat het noemde Josephson Computer Technology. 'Big Blue' spendeerde op een gegeven moment 20 miljoen dollar per jaar en had 115 wetenschappers gezet op de technologie. Het doel was om tot een Josephson Signal Processor te komen: een processor voor een supersnelle computer van de toekomst. De JSP werd nooit gebouwd. Begin jaren tachtig trok IBM de stekker uit het project. IBM was tegen meerdere problemen aangelopen: het lukte onder andere niet om goed presterend cachegeheugen te ontwikkelen. Bovendien was de ontwikkeling van chips op basis van halfgeleiders in een stroomversnelling gekomen. Plannen om supergeleiding te gebruiken voor computerchips werden in de ijskast gezet.

IBM CSM-package — IBM ontwikkelde wel een experimenteel systeem, het *cross section model* of CSM. Dit was een multichippackage met I/O waarbij de detectiecircuits waren gebaseerd op het Josephson-effect. De module werd in vloeibaar helium gekoeld tot 4,2 kelvin. Bron: IEEE Council on Superconductivity. Superconductivity at IBM.

Er zijn twee grote obstakels om supergeleiding in te zetten voor computing. De eerste is de lage temperatuur waarop het fenomeen zich voordoet. Zwitsers onderzoek uit 1985 bood aanvankelijk hoop. Dit toonde aan dat supergeleiding ook mogelijk is bij een temperatuur van 35 kelvin. Nu is -238,15 Celsius nog altijd erg koud, maar er is beter mee te werken dan bij -269 graden Celsius. Verdere experimenten leidden bovendien tot 'warme supergeleiders', die deze eigenschappen vertoonden bij temperaturen die het gebruik van vloeibare stikstof in plaats van vloeibaar helium mogelijk maakten. Het probleem is dan wel weer dat het hierbij veelal om keramische materialen gaat, die moeilijk voor bedrading gebruikt kunnen worden.

Het andere probleem leek fundamenteel van aard. De gedachte was dat het niet mogelijk zou zijn om stroom in slechts een richting te laten lopen bij supergeleiding. Dergelijk eenrichtingsverkeer is een voorwaarde om supergeleidende computeronderdelen zoals diodes en transistors te kunnen maken. De eigenschap dat stroom zonder weerstand door materiaal gaat, maakt het lastig ervoor te zorgen dat elektriciteit wel de ene, maar niet de andere kant op stroomt. Lastig, maar niet onmogelijk, zo bleek. Onlangs is dit de onderzoeksgroep van associate professor Mazhar Ali van de TU Delft, met hoofdonderzoekers dr. Heng Wu en dr. Yaojia Wang namelijk toch gelukt. Ze ontwikkelden een zogenoemde Josephson-diode zonder magnetische velden.

Associate Prof. Dr. Mazhar Ali (midden) met zijn collega-onderzoekers Dr. Yaojia Wang (links) en Dr. Heng Wu (rechts). Bron: TU Delft

De heilige graal

We vroegen Ali naar de ontdekking van de Josephson-diode, de heilige graal voor computing op basis van supergeleiding. "Dit is iets waar al lang onderzoek naar werd gedaan. Er is dit idee van niet-wederkerige supergeleiding, waarbij iets dat naar voren stroomt, niet op dezelfde manier terug stroomt. Wederkerigheid, zeg maar heen-en-weer-gedrag, is in het algemeen belangrijk bij natuurkunde, maar niet-wederkerigheid is net zo belangrijk. Het is de basis van alle elektronica. In al onze moderne apparaten zitten componenten die zich op niet-wederkerige wijze gedragen. De meest belangrijke is misschien wel het diode-effect. Je stuurt een signaal met een positief en negatief element en het negatieve deel mag niet doorgelaten worden. Als je plus en min stuurt en er komt alleen de min uit, is dat natuurlijk niet-wederkerig.”

Bij halfgeleiders staat het verschil tussen negatieve en positieve ladingsdragers aan de basis van deze niet-wederkerigheid. Dankzij verontreiniging van silicium, het zogenoemde doteren, ontstaan n- en p-halfgeleiders met enerzijds extra elektronen en anderzijds tekorten of gaten. Bij het aanbrengen van een spanning op de np-overgang, wordt of geen stroom doorgelaten of er treedt geleiding in een kant op.

“De np-overgang van halfgeleiders is een aangepast device. Een supergeleider is daarentegen meer een metaal dan een halfgeleider. De verwachting was dat supergeleiders net als metalen wederkerig geleidend waren, maar in de afgelopen jaren is de wetenschap op dit gebied geëxplodeerd. Onderzoekers voorspelden: als je bepaalde omstandigheden combineert en een speciaal type supergeleider hebt die de symmetrie doorbreekt, en dan een magnetisch veld toepast, dan krijg je een diode-effect. In 2020 maakte professor Teruo Ono en zijn team een supergeleider van een enkel materiaal dat voldeed aan de eigenschappen die in theorie voorspeld waren. Ze constateerden supergeleiding in een richting met een magnetisch veld en een diode-effect.”

Ali en collega's van de TU Delft waren in die tijd met andere dingen bezig. Zij werkten met Josephson-junctions. "Bij halfgeleiders heb je np-overgangen, maar onze groep maakt supergeleidingovergangen of -junctions. In plaats van twee halfgeleiders gebruiken we twee supergeleiders." Josephson-junctions zijn vernoemd naar Brian Josephson, die in de jaren zestig een fenomeen beschreef dat hem de Nobelprijs zou opleveren. Als twee supergeleiders bij elkaar geplaatst worden, gescheiden door een dunne isolator, treedt toch supergeleiding op als er elektrische stroom door de barrière heen loopt. Als dat tunneleffect optreedt, is de supergeleiding onderhevig aan externe effecten zoals een magnetisch veld. Josephson-junctions vormen de basis van squid's, superconducting quantum interference devices. Die squid's worden weer gebruikt voor magnetic resonance imaging, oftewel mri. De Josephson-junctions zijn extreem gevoelig voor magnetische velden en kunnen zo als magnetometer dienen die subtiele wijzigingen in de magnetische velden registreert.

Een sandwich met quantumlaag

Ali: "In onze groep onderzoeken we Josephson-junctions van quantummaterialen. Zo'n junction is een sandwich van twee supergeleiders, gescheiden door een niet-supergeleider. Die laatste, het vlees tussen de twee boterhammen, was een normale isolator van klassiek materiaal, zoals aluminiumoxide. Ons idee was: als we niet een klassieke isolator, maar een barrière van quantummateriaal tussen de supergeleiders plaatsen, kunnen we de koppeling tussen de twee supergeleiders misschien op nieuwe 'We proberen nu met wetenschappers erachter te komen hoe dit kan'wijze moduleren."

Het quantummateriaal dat de wetenschappers gebruikten was een flinterdun tweedimensioneel laagje Nb₃Br₈ van een paar atoomlagen dik. De Josephson-junction was daarmee van de structuur NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂. Ali: "We maakten een reeks van deze junctions en we ontdekten een Josephson-diode-effect, niet-wederkerige supergeleiding zonder dat we een magnetisch veld nodig hadden." Dat er geen magnetisch veld vereist was, was onverwacht en dit strookte niet met de theorie. Ali: "Niemand had er een verklaring voor. We proberen nu met wetenschappers erachter te komen hoe dit kan. Sommige scharen zich achter bepaalde theorieën, terwijl sommige het daar niet mee eens zijn."

Het klinkt alsof het team van de TU Delft min of meer toevallig tot de ontdekking kwam. Klopt dit? Ali: "Het is grappig. Teruo Ono vertelde dat hij zijn postdoc ter verantwoording had geroepen omdat hij dacht dat die een fout had gemaakt. Wij waren ook met iets anders bezig en toen we de metingen verrichtten, dachten we dat er iets niet klopte. Maar elke keer kwamen we op dezelfde resultaten uit."

Dat de onderzoeksgroep supergeleiding in één richting maar dan zonder magneetveld ontdekte, is niet alleen theoretisch van belang, maar juist ook belangrijk voor praktische toepassingen. Ali: "Het controleren van magnetische velden op nanoschaal is heel moeilijk. Dat is een probleem voor veel voorgestelde toepassingen. We weten nog niet hoe we kunnen voorkomen dat lokaal gegenereerde magnetische velden meer dan een enkele diode moduleren. Je wilt niet ook per ongeluk de buurman beïnvloeden. Dat zou een probleem worden met theoretisch miljarden devices of structuren op een oppervlak van een vierkante centimeter. Als je tot technologie kunt komen zonder magnetische velden, is dat praktisch gezien een enorme winst."

Tu Delft Josephson-diode — Schematische voorstelling van de Josephson-diode. De gele, groene en paarse bollen geven de NbSe2/Nb3Br8/NbSe2-sandwich weer. Van boven naar beneden is er supergeleiding (*cooper pair conduction*). Normaal geleidende, enkele elektronen bewegen zich van onder naar boven. Bron: Realization of the field-free Josephson diode

Toch nog koud

Het andere obstakel voor gebruik van supergeleiding voor computing is dat de temperatuur zo laag moet zijn. Hoe is dat bij de ontdekking van de Josephson-diode? "Wij hebben gemeten bij een temperatuur van 2,5 tot 3 kelvin, zo'n -270 graden Celsius. Dat is een van de leuke uitdagingen die we nu met 'Hoe kunnen we miljarden diodes op een chip plaatsen?'wetenschappers bespreken. Hoe kunnen we de temperatuur verhogen? Maar er zijn meer uitdagingen. Hoe kunnen we bijvoorbeeld miljarden diodes op een chip plaatsen? Naar mijn mening zijn dat problemen op het gebied van materiaalwetenschap. We weten nu dat de natuurkunde werkt. Vervolgens kunnen we het gaan proberen met andere materialen. Er zijn bijvoorbeeld de high-temperature superconductors. Die werken nog niet op kamertemperatuur, maar misschien wel tot 140 kelvin, -133 graden Celsius. Dan kom je op het terrein van temperaturen van vloeibare stikstof in plaats van vloeibaar helium. Dat is belangrijk, want stikstof is er in overvloed. Bijna 80 procent van de atmosfeer is stikstof. Koelen tot dat niveau is bij lange na niet zo duur als koelen tot 2,5 kelvin, waar we nu zitten."

Ook als de wetenschappers de werking bij de genoemde 'hogere' temperaturen demonstreren, zal supergeleiding voor computing alleen bij specifieke toepassingen een rol spelen. Onze smartphones, laptops en wearables gaan geen Josephson-diodes bevatten, maar veel elektronica kan prima bij de nog altijd koude temperaturen gebruikt worden. "Er zijn gecentraliseerde computerfaciliteiten, zoals supercomputers, die met cryogene technieken kunnen werken. Denk ook aan toepassingen in de ruimte, zoals systemen waar SpaceX en Virgin Galactic mee werken." Daarnaast kan de IT-industrie het datacenter van de toekomst mogelijk baseren op de Josephson-diode om zo te voorkomen dat het energiegebruik van de rekencentra verder uit de klauwen loopt. Wie weet dat Kamerlingh Onnes zo niet alleen zijn steentje bijdraagt aan de ontwikkeling van quantumcomputers, maar ook een nieuwe generatie computersystemen op basis van supergeleiding.