Mazhar Ali Lab baart opzien met super geleidende diode

Supergeleiding werd in 1911 ontdekt door de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Hij kreeg er in 1913 de Nobelprijs voor. Kamerlingh Onnes had in Leiden laten zien dat elektrische weerstand in metalen als kwik en lood geheel kon wegvallen bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (0 Kelvin of -273,15 graden Celsius). Het was een vinding die even fascinerend als nuttig bleek – MRI-scanners maken er gebruik van om krachtige magneetvelden op te wekken.

Halfgeleiders werden in de tweede helft van de twintigste eeuw ontdekt als basis voor elektronica. Halfgeleidermaterialen zoals silicium en germanium maakten geleiding in één richting (diode) of geschakelde geleiding (transistor) mogelijk en legden de basis voor de chip- en computerindustrie.

Al in de jaren zeventig hadden onderzoekers van de Amerikaanse computergigant IBM het idee om supergeleidende computerchips te maken. Dit zou de computers sneller maken en de warmteontwikkeling beperken. Maar de enige manier om supergeleidende elektronen (die paarsgewijs bewegen) slechts in één richting te laten bewegen, was door een magnetisch veld toe te passen. De precieze beheersing van magnetische velden op nanoschaal is uiterst moeilijk, zodat een combinatie van supergeleiding en halfgeleiders praktisch onmogelijk leek.

Selectieve sandwich
Vandaar dat de Nature publicatie van associate professor Mazhar Ali (faculteit Technische Natuurwetenschappen) en zijn collega’s dr. Yaojia Wang en dr. Heng Wu opzien baart. ‘Een nieuwe technologische revolutie onderweg’ reageerde iemand op Twitter.

^{De Josephson-diode bestaat uit enkele lagen quantumkristallen. De ene kant op bewegen (groene) elektronen in paren in supergeleiding, de andere kant op bewegen de (oranje) elektronen in moeizamere gewone geleiding. (Illustratie: Ella Marushenko)}

De schakeling waar het om gaat, bestaat uit een quantumkristal van niobium (Nb) en broom (Br) ingeklemd tussen twee supergeleiders in wat een ‘Josephson Junction’ wordt genoemd – een veelgebruikt instrument bij supergeleiding, dat bestaat uit een dunne isolatielaag tussen twee supergeleiders.

‘Buitengewone beweringen vereisen buitengewone resultaten’

Het opmerkelijke van de opstelling is dat in één richting van de schakeling supergeleiding optreedt, maar de andere kant op niet. Deze asymmetrie is even ongekend als veelbelovend. De onderzoekers noemen hun schakeling een ‘Josephson diode’, genoemd naar de Josephson junctie.

Vreemd verschijnsel
Hoofdonderzoeker dr. Mazhar Ali trad in augustus 2021 in dienst bij het Kavli instituut voor nanoscience (TNW). Daarvóór studeerde hij aan UC Berkeley en promoveerde hij op Princeton. Hij deed zijn postdoc bij IBM en won de Sofia Kovalevskaja Award van de Alexander von Humboldt Foundation in Duitsland. Dat bracht hem naar het Max Planck Instituut in Halle. Daar trok hij zijn mede-onderzoekers dr. Yaojia Wang en dr. Heng Wu, beide afkomstig van de Nanjing University. Het is ‘een zeer getalenteerd echtpaar’ dat Ali ondersteunt in zijn ‘exploratieve 3Q onderzoek’ naar quantummaterialen, -eigenschappen en -schakelingen.

In het najaar van 2020 was het Heng Wu die iets vreemds opmerkte bij geleidingsmetingen aan quantumkristallen afkomstig van medeauteur Tyrel McQueen (Johns Hopkins Universiteit). Anders dan verwacht was de geleiding door het materiaal niet symmetrisch. “We vonden dat vreemd, maar er kunnen wel tien dingen misgaan die zoiets tot gevolg hebben”, kijkt dr. Mazhar Ali terug. Dus herhaalde Heng de metingen keer op keer met een dun laagje quantumkristal tussen twee supergeleiders – net als een Josephson junctie.

‘De Josephson-diode werkt op een manier die die lijkt op halfgeleiderelektronica’

Meer experimenten volgden, totdat vast kwam te staan dat het quantumkristal tussen twee supergeleiders ‘non-reciproke supergeleiding’ vertoonde, zoals Ali het noemt. Deze niet-omkeerbare geleiding is het meest bekend van de diode – een eenrichtingsverkeersweg voor elektrische stroom. Daar werd de vinding ook naar vernoemd: ‘Josephson diode’. De Delftse ontdekking daarvan vond al in december 2020 plaats, maar daarna volgden nog vele verificatie-experimenten op verzoek van de reviewers voordat Nature het artikel bijna anderhalf jaar later publiceerde. “Buitengewone beweringen vereisen buitengewone resultaten en wij wilden graag grondig bewijzen wat er aan de hand was,” zegt Ali.

Supergeleidende elektronica
“Het doet me denken aan onderzoek van Stuart Parkin in Halle”, reageert prof.dr.ir. Alexander Brinkman, hoogleraar quantumtransport in materie aan de Universiteit Twente op de Delftse vinding. Daarmee plaatst hij de oorsprong van het onderzoek bij co-auteur Stuart Parkin, die naam maakte met een zeer snel en groot spintronics-gebaseerd geheugen. Ongeveer tien jaar geleden was hij het die Mazhar Ali, toen verbonden aan Princeton, uitnodigde voor een postdoc bij IBM in Almaden, Californië.

“Supergeleidende elektronica is niet nieuw”, vult Brinkman aan. “Onder de naam RSFQ (rapid single flux quantum) logic zijn er supergeleidende logische circuits ontwikkeld op basis van Josephson-juncties. Supergeleidende circuits zijn zo’n honderd keer sneller dan halfgeleiders, dat maakt het een interessant vakgebied. Tegenover de hogere snelheid staat het bezwaar dat supergeleidende elektronica een stuk minder compact is, en cryogene koeling nodig heeft.”

“Dit is heel iets anders”, antwoordt Mazhar Ali. “De Josephson-diode werkt op een manier die die veel meer lijkt op halfgeleiderelektronica. Daarnaast is de diode heel compact.”

Anderen voelen zijn opwinding ook. Voor de online conferentie over supergeleidende diodes (zie onder) hebben zich al 270 deelnemers aangemeld. Een half dozijn afstudeerders heeft zich gemeld bij het Ali Lab om mee te werken aan de ontwikkeling van supergeleidende elektronica op basis van Josephson-diodes.

Er is nog een lange weg te gaan. De eerste stap zal zijn om vanaf een Josephson-diode naar een Josephson-transistor te komen. De transistor is het elementaire schakelelement waarvan een moderne computerchip er 10 miljard aan boord heeft. De eerste halfgeleider transistor stamt uit 1947, wat een idee geeft over de ontwikkelingsperiode van lab tot massaproduct. Verder gaat het Ali Lab op zoek naar materialen waarmee supergeleidende circuits bij hogere temperaturen kunnen functioneren, het liefst net boven het kookpunt van vloeibaar stikstof (77 kelvin).

• Lezingenreeks
  Op 18 en 19 mei organiseert dr. Mazhar Ali met zijn samenwerkingspartners prof. Valla Fatemi (Cornell University) en dr. Heng Wu (TU Delft) een Superconducting Diode Effects Workshop, waarbij twaalf internationale experts lezingen zullen geven over de huidige stand van zaken op dit gebied, en over toekomstige onderzoeks- en toepassingsrichtingen.