Rubiconbeurs voor Remko Fermin: supergeleidende diodes voor energiezuinige datacenters
Hoe kan natuurkunde helpen de uitstoot van energieslurpende datacenters te verminderen? Natuurkundige Remko Fermin gaat met behulp van een Rubiconbeurs fundamenteel onderzoek naar supergeleidende diodes aan de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk. Diodes zijn een soort éénrichtingsstraat voor stroom en daardoor cruciaal voor elektronische apparaten.
‘Simpel gezegd maak ik supergeleidende materialen in geometrische vormen om zo te onderzoeken of dat bijzondere eigenschappen oplevert’, vertelt Fermin. Tijdens zijn promotieonderzoek bij het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde ontdekte hij met collega’s dat een piepkleine, ellipsvormige magneet met daarop twee supergeleidende contacten kan dienen als een geheugenelement. ‘Het is natuurkundig gezien heel interessant, maar wellicht ook wat betreft de potentiële toepassingen.’
Van supergeleidende geheugenelementen naar diodes
Want hoewel het element nog niet schaalbaar is, heeft deze techniek één groot voordeel, legt Fermin uit. ‘In een supergeleider ontbreekt de elektrische weerstand. En daarom gaat er geen energie verloren in de vorm van warmte. Daarvoor moet je een systeem wel extreem afkoelen, maar dat is voor enorm grote computers - zoals bijvoorbeeld datacenters - zeker mogelijk. Die veroorzaken op het moment ongeveer 1% van de wereldwijde CO2-uitstoot. En met de opkomst van cloudcomputing en artificiële intelligentie wordt het steeds belangrijker om energiebesparende technieken te ontwikkelen.’
Met de Rubiconbeurs gaat de onderzoeker voortbouwen op dit onderzoek, maar dan op het gebied van het supergeleidende diode-effect. In een diode (zie kader) wordt normaliter in één richting stroom doorgelaten en in de andere vrijwel niet. ‘De supergeleidende variant laat in één richting een normale stroom door en in de andere een supergeleidende stroom - die dus geen energie verbruikt’, vertelt Fermin.
De diode: de onbekende held van elektronische apparaten
Een diode is een elektronisch elementje waardoor elektriciteit slechts in één richting kan lopen, als een soort eenrichtingsstraat. Dit kleine onderdeel is cruciaal voor de werking van al je favoriete apparaten. Ze worden vooral gebruikt om wisselstroom in gelijkstroom om te zetten, wat belangrijk is voor het opladen van batterijen en het voeden van veel elektrische apparaten. Maar ook een LED lampje is bijvoorbeeld een diode (de naam verklapt het al, Light Emitting Diode). Het diode-effect is ook de basis voor transistoren, de bouwstenen van computerchips.
Symmetrieën doorbreken
Er zijn twee voorwaardes voor het diode-effect: het breken van de zogenaamde tijdsomkeringsymmetrie en inversiesymmetrie. ‘Die eerste symmetrie kun je vergelijken met een straat met allemaal exact dezelfde huizen. Je kunt niet zien of je vooruit of achteruit loopt. Maar als er aan één kant van de straat een lantaarnpaal staat, is er opeens een ‘heen’ en ‘terug’. De richting van het magneetveld heeft deze rol in het breken van tijdsomkeringsymmetrie. Stel, de tijd zou teruglopen, dan staat het veld in de omgekeerde richting.’
En dan het breken van die inversiesymmetrie. Fermin illustreert het met de helix in een DNA-streng. Die kan links- of rechtsom draaien en is dus niet symmetrisch. ‘In een schijfvormige magneet heb je dit ook. Het magneetveld gaat rond als een draaikolk. Maar in het midden steekt het veld uit het vlak, naar voren of naar achter. Dat breekt die symmetrie. Ik denk dat het daardoor mogelijk is om het diode-effect in zo’n materiaal op te wekken.’
Knutselen met moleculen
Fermin heeft zijn eerste experiment al uitgedacht: een soort schijfvormige sandwich van supergeleiders met een magneet ertussen, zodat de stroom door het midden van de magnetische vortex loopt. Daarnaast heeft hij nog een tweede plan achter de hand. ‘Als alternatief voor de magneet wil ik ook experimenteren met chirale moleculen. Dat zijn moleculen die, net als DNA, links- of rechtsom draaien. Daarmee voldoe je dus ook aan die eisen. Ik heb daar nog nooit mee gewerkt, maar de groep in Cambridge heeft er ervaring mee.’ Hij lacht: ‘En als het allemaal niet blijkt te werken, dan zijn er genoeg andere interessante dingen om te onderzoeken.’
NWO en ZonMw willen met de Rubiconbeurs om jonge onderzoekers de kans bieden onderzoek te doen aan een buitenlandse instelling. Veelbelovende onderzoekers doen zo internationale onderzoekservaring op die cruciaal is voor hun toekomst binnen de academische wereld. De laureaten kunnen gedurende een of twee jaar aan de slag bij een onderzoeksinstelling van hun keuze.