Diodo supercondutor pode reduzir drasticamente uso de energia na computação

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/08/2023

O diodo consiste em uma faixa supercondutora (azul) sob um isolante ferromagnético (laranja). O campo magnético (setas verdes) do ferroímã induz supercorrentes ao longo das bordas do supercondutor, que afetam a corrente líquida (setas vermelhas) que flui quando uma tensão é aplicada. Essa corrente líquida é 50% maior na direção direta do que na direção reversa.
[Imagem: A. Varambally, Y. Hou, H. Chi/MIT]

De semicondutor a supercondutor

Depois de quase um século sendo considerado impossível, no ano passado pesquisadores finalmente conseguiram criar um diodo supercondutor, um componente que permite que a corrente elétrica flua sem resistência apenas numa direção, mas não na outra.

Agora, uma equipe formada por pesquisadores da Espanha, EUA e Suíça demonstrou que um diodo supercondutor pode cortar drasticamente a quantidade de energia usada em sistemas de computação de alta potência, tipicamente usadas nas centrais de dados e nos supercomputadores.

"Nossa engenharia de um efeito de diodo supercondutor, que é robusto e pode operar em uma ampla faixa de temperatura em sistemas simples, potencialmente abre as portas para novas tecnologias," disse Jagadeesh Moodera, líder da equipe.

Os chips de computador contêm bilhões de diodos, lembrando que um transístor é formado por dois diodos acoplados. No entanto, esses componentes são feitos de materiais semicondutores, ficando muito quentes devido à resistência elétrica. Isso não apenas exige mais energia para que cada chip funcione, como também exige grandes quantidades de energia para resfriar os equipamentos.

Isso fez crescer o interesse em diodos supercondutores, que não vão requerer tanta energia e nem vão esquentar tanto. Embora as baixas temperaturas que exigem para funcionar restrinjam seu uso a equipamentos de grande porte, é justamente no hardware que sustenta a nuvem que está o maior consumo de energia da computação atual.

Diodo supercondutor

O primeiro componente construído pela equipe consistia em uma camada atomicamente fina de vanádio, um supercondutor, estruturado em um formato comum na eletrônica, conhecido como barra Hall. Sob a ação de um minúsculo campo magnético - comparável ao campo magnético da Terra - o componente apresentou o efeito de diodo supercondutor, uma gigantesca dependência do fluxo de corrente em relação à polaridade.

Mas era preciso torná-lo prático, então a equipe partiu para o desenvolvimento de um diodo mais simples, que não dependesse de equipamentos externos. Para isso, eles cobriram um supercondutor com um ferroímã (um isolante ferromagnético), um material que produz seu próprio campo magnético minúsculo. O efeito de diodo foi ainda maior, além de permanecer estável mesmo depois que o campo magnético original é desligado.

Mas, se o material é supercondutor, como ele faz para impedir que a corrente flua num dos sentidos? O truque está justamente no campo magnético, que induz um fenômeno conhecido como "efeito Meissner", que pode ser comparado com o nosso sistema imunológico liberando anticorpos para combater a infecção de bactérias e outros patógenos. A diferença é que, neste caso, é o efeito Meissner que expulsa o próprio campo magnético.

Como os supercondutores não gostam de campos magnéticos, assim que o campo magnético é expulso o componente se torna supercondutor, mas apenas num sentido. Embora não seja tão eficiente quanto os diodos semicondutores, com o projeto adequado das bordas do material a equipe conseguiu alcançar eficiências superiores a 50% já neste primeiro protótipo.

"O sentido de retificação pode ser programado pela magnetização remanescente da camada magnética, o que pode ter alto potencial para futuras aplicações. O trabalho é importante e atraente tanto do ponto de vista da pesquisa básica quanto do ponto de vista das aplicações," disse o professor Moodera.

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