Fisica

I diodi a semiconduttore conducono la corrente in una direzione ma non nell'altra, offrendo loro una miriade di applicazioni in elettronica. La loro proprietà unidirezionale è resa possibile dalla differenza nel comportamento di conduzione dei due tipi di portatori di carica: elettroni e lacune. I diodi superconduttori potrebbero essere utili anche nei sensori e in altri dispositivi. Ma poiché le supercorrenti hanno un solo tipo di portatore, gli elettroni nelle cosiddette coppie di Cooper, realizzare un diodo superconduttore è più difficile. Nel 2020 i ricercatori hanno dimostrato un effetto diodo in un dispositivo superconduttore costituito da un materiale stratificato che richiedeva un impilamento preciso, un forte accoppiamento spin-orbita e una forma unica di accoppiamento di Cooper [1]. Ora Jagadeesh Moodera del Massachusetts Institute of Technology e i suoi collaboratori hanno realizzato un diodo superconduttore più efficace, più semplice nel design e indipendente da effetti elettronici esoterici [2].

Il design del diodo del team è costituito da una sottile striscia di niobio o vanadio. A differenza della maggior parte dei superconduttori a elemento singolo, il niobio e il vanadio sono entrambi superconduttori di tipo II, il che significa che un campo magnetico applicato della giusta intensità induce la formazione di vortici di supercorrente che ruotano tutti nello stesso senso. Moodera e colleghi hanno applicato un campo di questo tipo perpendicolare alla superficie del loro dispositivo, inducendo vortici all'interno della striscia, nonché supercorrenti (chiamate correnti di Meisner) lungo i bordi della striscia. Visto dall'alto, una corrente laterale scorreva verso destra (in direzione “avanti”), l'altra verso sinistra (in direzione “inversa”). I ricercatori hanno quindi inviato una corrente esterna alle estremità della striscia, sia in direzione diretta che inversa, e hanno misurato la corrente netta per ciascun caso.

In linea di principio, le correnti di bordo di contropropagazione sono uguali, quindi i loro contributi alla corrente netta dovrebbero annullarsi. Ma in pratica, la realizzazione di una striscia comporta inevitabilmente differenze strutturali tra i due bordi. Quella asimmetria accidentale, ha scoperto il team del MIT, era abbastanza grande da comportare un’efficienza del diodo del 20%, definita come la differenza tra la corrente netta diretta e quella inversa, divisa per la somma. I ricercatori hanno scoperto che potevano aumentare l'efficienza del diodo fino al 50% aggiungendo deliberatamente delle tacche su uno dei bordi. Ma hanno ottenuto un’efficienza del 65%, il valore più grande visto finora, sostituendo il campo magnetico applicato con il campo intrinseco derivante da uno strato superiore di un isolante ferromagnetico, il solfuro di europio.

In effetti, Moodera e i suoi colleghi hanno dimostrato che nei normali superconduttori è presente un effetto diodo gigante che risulta dalla rottura di una semplice simmetria geometrica. Tali diodi superconduttori potrebbero trovare un utilizzo immediato nell’elettronica superconduttrice e un utilizzo futuro nei circuiti qubit superconduttori o topologici, afferma Moodera.

Philip Moll studia materiali quantistici presso l'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia in Germania. Sottolinea che l'osservazione di un grande effetto diodo nei superconduttori a elemento singolo è significativa perché la loro semplicità renderà le applicazioni più facili e scalabili. "La bellezza del lavoro di Moodera e dei suoi colleghi è che hanno ottenuto efficienze record senza nemmeno provarci", afferma. “Le loro strutture sono tutt’altro che ottimizzate.”

–Carlo Giorno

Charles Day è un redattore senior per la rivista Physics.

Yasen Hou, Fabrizio Nichele, Hang Chi, Alessandro Lodesani, Yingying Wu, Markus F. Ritter, Daniel Z. Haxell, Margarita Davydova, Stefan Ilić, Ourania Glezakou-Elbert, Amith Varambally, F. Sebastian Bergeret, Akashdeep Kamra, Liang Fu, Patrick A. Lee e Jagadeesh S. Modera

Fis. Rev. Lett. 131, 027001 (2023)

Pubblicato il 13 luglio 2023

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