Автор AZoNano 12 февраля 2021

Сверхпроводники – материалы, проводящие электричество без сопротивления, – замечательны. Они дают макроскопический взгляд на квантовые явления, которые обычно наблюдаются только на атомном уровне. Помимо своих физических особенностей, сверхпроводники также полезны. Они используются в медицинских изображениях, квантовых компьютерах и камерах, используемых с телескопами.

Но сверхпроводящие устройства могут быть привередливыми. Часто они дороги в производстве и подвержены ошибкам из-за шума окружающей среды. Это могло измениться благодаря исследованиям группы Карла Берггрена на факультете электротехники и информатики.

Исследователи разрабатывают сверхпроводящую нанопроволоку, которая позволит создать более эффективную сверхпроводящую электронику. По словам Берггрена, потенциальные преимущества нанопроволоки заключаются в ее простоте. «В конце концов, это просто провод».

Берггрен представит резюме исследований на конференции IEEE Solid-State Circuits Conference в этом месяце.

Сопротивление бесполезно

Большинство металлов теряют сопротивление и становятся сверхпроводящими при чрезвычайно низких температурах, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Они используются для обнаружения магнитных полей, особенно в очень чувствительных ситуациях, таких как мониторинг активности мозга. У них также есть приложения как в квантовых, так и в классических вычислениях.

В основе многих из этих сверхпроводников лежит устройство, изобретенное в 1960-х и получившее название джозефсоновского перехода – по сути, два сверхпроводника, разделенных тонким изолятором. «Это то, что привело к созданию обычной сверхпроводящей электроники, а затем, в конечном итоге, и к сверхпроводящему квантовому компьютеру», – говорит Берггрен.

Однако джозефсоновский переход «принципиально довольно хрупкий объект», – добавляет Берггрен. Это напрямую влияет на стоимость и сложность производства, особенно в случае тонкой изоляции позже. Сверхпроводники на основе джозефсоновских переходов также могут плохо работать с другими: «Если вы попытаетесь соединить их с обычной электроникой, такой как те, что используются в наших телефонах или компьютерах, шум от них просто затопит джозефсоновский переход. Таким образом, отсутствие способности управлять крупномасштабными объектами является настоящим недостатком, когда вы пытаетесь взаимодействовать с внешним миром ».

Чтобы преодолеть эти недостатки, Берггрен разрабатывает новую технологию – сверхпроводящую нанопроволоку, корни которой старше самого джозефсоновского перехода.

Перезагрузка криотрона

В 1956 году инженер-электрик Массачусетского технологического института Дадли Бак опубликовал описание сверхпроводящего компьютерного переключателя, названного криотроном. Устройство представляло собой чуть больше двух сверхпроводящих проводов: один был прямым, а другой был намотан на него. Криотрон действует как переключатель, потому что, когда ток течет по спиральному проводу, его магнитное поле уменьшает ток, протекающий через прямой провод.

В то время криотрон был намного меньше, чем другие типы вычислительных переключателей, такие как электронные лампы или транзисторы, и Бак думал, что криотрон может стать строительным блоком компьютеров. Но в 1959 году Бак внезапно скончался в возрасте 32 лет, остановив разработку криотрона. (С тех пор транзисторы были увеличены до микроскопических размеров и сегодня составляют базовые логические компоненты компьютеров.)

Теперь Берггрен возрождает идеи Бака о сверхпроводящих компьютерных переключателях. «Устройства, которые мы делаем, очень похожи на криотроны в том смысле, что им не требуются джозефсоновские переходы», он говорит. Он назвал свое сверхпроводящее устройство на основе нанопроволоки нанокриотроном в честь Бака, хотя он работает немного иначе, чем оригинальный криотрон.

В нанокриотроне для срабатывания переключателя используется тепло, а не магнитное поле. В устройстве Берггрена ток проходит через сверхпроводящий переохлажденный провод, называемый «каналом». Этот канал пересекает проволока еще меньшего размера, называемая «дросселем» – как многополосное шоссе, пересеченное проселочной дорогой. Когда через дроссель пропускается ток, его сверхпроводимость нарушается, и он нагревается. Как только это тепло распространяется от дросселя к основному каналу, оно приводит к тому, что основной канал также теряет свое сверхпроводящее состояние.

Группа Берггрена уже продемонстрировала концепцию использования нанокриотрона в качестве электронного компонента. Адам МакКоган, бывший ученик Берггрена, разработал устройство, в котором для добавления двоичных цифр используются нанокриотроны. А Берггрен успешно использовал нанокриотроны в качестве интерфейса между сверхпроводящими устройствами и классической транзисторной электроникой.

Берггрен говорит, что сверхпроводящие нанопроволоки его группы однажды смогут дополнить – или, возможно, составить конкуренцию – сверхпроводящим устройствам на основе джозефсоновских переходов. «Провода относительно просты в изготовлении, поэтому они могут иметь некоторые преимущества с точки зрения технологичности», – говорит он .

Он думает, что однажды нанокриотрон сможет найти применение в сверхпроводящих квантовых компьютерах и сверхохлажденной электронике для телескопов. По его словам, провода имеют низкое рассеивание мощности, поэтому они также могут быть полезны для энергоемких приложений. «Возможно, он не заменит транзисторы в вашем телефоне, но сможет ли он заменить транзистор в серверной ферме или центре обработки данных? Это окажет огромное влияние ».

Помимо конкретных приложений, Берггрен широко рассматривает свою работу по сверхпроводящим нанопроволокам. «Мы здесь проводим фундаментальные исследования. Хотя нас интересуют приложения, нас также интересует: какие существуют способы выполнения вычислений? Как общество, мы действительно сосредоточились на полупроводниках и транзисторах. Но мы хотим знать, что еще может быть там ».

Первоначальное финансирование исследований нанокриотрона в лаборатории Берггрена было предоставлено Национальным научным фондом.

Источник: https://web.mit.edu/[19459008visible