Delftse wetenschappers hebben een supergeleidende versie weten te maken van een cruciale elektronicacomponent. Leidt die, zoals de onderzoeksleider beweert, tot computers die honderden keren sneller werken dan de huidige?

Graag zouden we elektronica hebben die gebruikmaakt van supergeleiding: het verschijnsel dat bepaalde materialen, bij lage temperaturen, geen elektrische weerstand meer hebben. Daarmee zou je schakelingen veel sneller én zuiniger kunnen maken, zo is de verwachting.

Jammer alleen dat we geen supergeleidende variant hebben van een diode: een componentje dat stroom wel goed geleidt in de ene, maar niet in de andere richting. Al in de jaren zeventig constateerde IBM dat dit gemis de bottleneck was op de weg naar een computer die werkt met supergeleiding.

Nu hebben Delftse onderzoekers wél zo’n supergeleidende diode weten te maken. Een belangrijke stap op weg naar een revolutie op computergebied – of is dat ook weer wat veel gezegd?

Weinig praktisch

De basis van de supergeleidende diode is een zogenoemde Josephson-junctie. Dat is in feite een sandwich met aan de buitenkant twee supergeleiders en ertussen een ander, niet-supergeleidend materiaal.

Normaal gesproken werkt zo’n Josephson-junctie niet als een diode, maar het is eerdere onderzoekers wel gelukt er een van te maken. Probleem daarmee was dat daar steevast magneetvelden aan te pas moesten komen. En dat maakt zo’n diode weinig praktisch, legt onderzoeksleider Mazhar Ali uit in een persbericht. “Magnetische velden op nanometerschaal zijn heel moeilijk te controleren en te beperken.”

Paar atomen dik

Ali en collega’s is het nu gelukt om zónder magneetvelden hetzelfde voor elkaar te krijgen. Ze hebben, zo schrijven ze in het wetenschappelijk tijdschrift Nature, een “veld-vrije Josephson-diode” ontwikkeld.

Cruciaal is daarbij het materiaal tussen de supergeleiders. Dat is geen ‘gewoon’ materiaal, maar een zogenoemd quantummateriaal: een verbinding van niobium en broom met de chemische formule Nb3Br8. Dit materiaal heeft een tweedimensionale structuur, zegt Ali, net als bijvoorbeeld het ‘wondermateriaal’ grafeen. Daardoor konden de onderzoekers hun sandwich voorzien van een laagje beleg dat maar een paar atomen dik was. En daarmee bleek het geheel als een diode te functioneren.

Ook bij hogere temperaturen?

Wat de toepassingen betreft, zegt Ali: “Technologie die vroeger alleen mogelijk was met halfgeleiders, kan nu mogelijk met behulp van deze bouwsteen met supergeleiders worden gemaakt.” Daar vallen ook computers onder die drie- tot vierhonderd keer zo snel zijn als de computers die we nu gebruiken, vervolgt hij.

Nu werken supergeleiders wel alleen bij lage temperaturen. De supergeleider die Ali gebruikte in zijn diode, krijgt bijvoorbeeld pas een weerstand van nul bij temperaturen lager dan -266,55 graden Celsius. Als volgende stap willen de Delftse onderzoekers dan ook gaan kijken of ze hetzelfde trucje kunnen herhalen met materialen die bij hogere temperaturen supergeleidend worden.

Maar dan nog heb je het voorlopig over chips die werken bij zo’n -200 graden Celsius. Die zul je dus eerder aantreffen in grootschalige server farms en in supercomputers, dan in je computer thuis. Maar Ali ziet dat niet als een groot bezwaar. “Alle intensieve berekeningen worden tegenwoordig uitgevoerd in gecentraliseerde faciliteiten”, zegt hij. “En de bestaande infrastructuur is zonder al te hoge kosten aan te passen aan elektronica op basis van supergeleidende diodes.”

Speculatieve beloftes

Dat klinkt als een flinke stap richting veel betere computers. Is het dat ook? Niet volgens Bram Nauta, universiteitshoogleraar aan de Universiteit Twente en bedenker van de nautaschakeling. “Het is mooi fundamenteel onderzoek, en daar is niets mis mee, maar de beloftes zijn erg speculatief en niet gebaseerd op hoe computers werken”, zegt hij.

“Met diodes kun je geen computers bouwen”, vervolgt Nauta. “In een computer heb je een versterkend element nodig waarmee je enen en nullen kunt ‘oppimpen’ als ze zijn weggezakt. Ook moet je van een één een nul kunnen maken. Met diodes kan dat niet. Bovendien kost het koelen van een supergeleider vreselijk veel energie; veel meer dan je uitspaart door de lage verliezen van een ‘kale’ supergeleider.”

Kortom: knap werk, maar het toekomstbeeld dat Ali schetst, is misschien wat al te rooskleurig.