Автор AZoNano 12 февраля 2021 г.

Сверхпроводники – это материалы, которые проводят электричество без какого-либо сопротивления. Они обладают прекрасным потенциалом и предлагают макроскопическое представление о квантовых явлениях, которые обычно можно наблюдать только на атомном уровне.

Сверхпроводники не только проявляют физическую уникальность, но и полезны. Они используются в камерах телескопов, квантовых компьютерах и медицинских изображениях.

Однако сверхпроводящие устройства могут быть требовательными. Они обычно дороги в производстве и подвержены влиянию окружающего шума. Результаты исследования, проведенного командой Карла Берггрена из Департамента электротехники и информатики, теперь могут это изменить.

Ученые разрабатывают сверхпроводящую нанопроволоку, которая позволит создать более эффективную сверхпроводящую электронику. По словам Берггрена, возможные преимущества нанопроволок проистекают из их простоты. « В конце концов, это просто провод ».

Берггрен опишет исследование на конференции IEEE Solid-State Circuits Conference в феврале этого года.

Сопротивление бесполезно

Большинство металлов имеют тенденцию терять сопротивление и становиться сверхпроводящими при очень низких температурах, часто всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Они используются для измерения магнитных полей, особенно в очень чувствительных условиях, таких как отслеживание активности мозга. Более того, они находят применение как в классических, так и в квантовых вычислениях.

Основой для некоторых из этих сверхпроводников является джозефсоновский переход – устройство, изобретенное в 1960-х годах, – которое обычно включает два сверхпроводника, изолированные тонким диэлектриком.

Это то, что привело к созданию обычной сверхпроводящей электроники, а затем, в конечном итоге, к сверхпроводящему квантовому компьютеру .

Карл Берггрен, Департамент электротехники и информатики, Массачусетский технологический институт

Берггрен добавил, что соединение Джозефсона « по своей сути является довольно хрупким объектом ». Это напрямую влияет на стоимость и сложность изготовления, особенно тонкого изоляционного слоя. Сверхпроводники на джозефсоновских контактах могут не работать с другими.

« Если вы попытаетесь соединить его с обычной электроникой, такой как в наших телефонах или компьютерах, шум от них просто затопит джозефсоновский переход. Таким образом, отсутствие возможности управлять крупномасштабными объектами является настоящим недостатком, когда вы пытаетесь взаимодействовать с внешним миром », – отметил Берггрен.

Чтобы решить эти проблемы, Берггрен создал новую технологию – сверхпроводящую нанопроволоку – с корнями, более старыми по сравнению с самим джозефсоновским переходом.

Перезагрузка криотрона

В 1956 году инженер-электрик Массачусетского технологического института (MIT) Дадли Бак описал сверхпроводящий компьютерный переключатель, известный как криотрон. Устройство было немного больше по сравнению с двумя сверхпроводящими проводами: один был прямым, а другой был намотан на него. Криотрон служит переключателем.

Это связано с тем, что когда ток течет по спиральному проводу, его магнитное поле уменьшает ток, протекающий через прямой провод.

В то время криотрон был намного меньше по сравнению с другими типами вычислительных переключателей, такими как транзисторы или электронные лампы, и Бак считал, что криотрон может стать строительным блоком компьютеров.

Однако в 1959 году Бак внезапно умер в возрасте 32 лет, что остановило дальнейшее развитие криотрона. (С тех пор транзисторы были разработаны до микроскопических размеров и в настоящее время составляют основные логические компоненты компьютеров.)

В настоящее время Берггрен возрождает концепции Бака относительно сверхпроводящих компьютерных переключателей.

Создаваемые нами устройства очень похожи на криотроны тем, что не требуют джозефсоновских переходов .

Карл Берггрен, Департамент электротехники и информатики, Массачусетский технологический институт

Берггрен назвал свое сверхпроводящее устройство на нанопроволоке нанокриотроном в честь Бака, хотя его функции несколько отличаются от первоначального криотрона.

В нанокриотроне для активации переключателя используется тепло, а не магнитное поле. В устройстве Берггрена ток проходит через переохлажденный сверхпроводящий провод, известный как «канал». Этот канал разделен проволокой еще меньшего размера, известной как «дроссель» – аналогично тому, как боковая дорога пересекает многополосное шоссе.

При пропускании тока через дроссель его сверхпроводимость выходит из строя, и он нагревается. Как только это тепло распространяется от дросселя к основному каналу, оно заставляет и основной канал терять свое сверхпроводящее состояние.

Команда Берггрена уже проиллюстрировала доказательство принципа использования нанокриотрона в качестве электронного компонента. Адам МакКоган, бывший ученик Берггрена, разработал устройство, в котором для добавления двоичных цифр используются нанокриотроны.

Берггрен успешно использовал нанокриотроны в качестве интерфейса между сверхпроводящими устройствами и обычной транзисторной электроникой.

Согласно Берггрену, сверхпроводящая нанопроволока, разработанная его группой, когда-нибудь сможет дополнить – или, возможно, составить конкуренцию – сверхпроводящим устройствам на основе джозефсоновских переходов.

« Провода относительно легко изготавливать, поэтому они могут иметь некоторые преимущества с точки зрения технологичности », – заявил Берггрен.

Берггрен считает, что нанокриотрон когда-нибудь сможет найти применение в переохлажденной электронике для телескопов и сверхпроводящих квантовых компьютеров. Провода обладают малой рассеиваемой мощностью, поэтому они также могут быть удобны для энергоемких приложений.

« Вероятно, он не собирается заменять транзисторы в вашем телефоне, но сможет ли он заменить транзистор в серверной ферме или центре обработки данных? Это окажет огромное влияние », – добавил Берггрен.

Помимо конкретных приложений, Берггрен широко рассматривает свои работы по сверхпроводящим нанопроводам.

Здесь мы 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 .

Карл Берггрен, Департамент электротехники и информатики, Массачусетский технологический институт

Национальный научный фонд предложил начальную финансовую поддержку исследованиям нанокриотрона в лаборатории Берггрена.

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