Nanodraad zou een stabiele, gemakkelijk te maken supergeleidende transistor kunnen opleveren

Supergeleiders – materialen die elektriciteit zonder weerstand geleiden – zijn opmerkelijk. Ze bieden een macroscopisch kijkje in kwantumverschijnselen, die gewoonlijk alleen op atomair niveau waarneembaar zijn. Naast hun fysieke eigenaardigheid zijn supergeleiders ook nuttig. Ze worden aangetroffen in medische beeldvorming, kwantumcomputers en camera’s die worden gebruikt met telescopen.

Maar supergeleidende apparaten kunnen lastig zijn. Vaak zijn ze duur in de fabricage en vatbaar voor fouten door omgevingslawaai. Dat zou kunnen veranderen, dankzij onderzoek van de groep van Karl Berggren bij de afdeling Elektrotechniek en Informatica.

De onderzoekers ontwikkelen een supergeleidende nanodraad die efficiëntere supergeleidende elektronica mogelijk zou kunnen maken. De potentiële voordelen van de nanodraad vloeien voort uit zijn eenvoud, zegt Berggren. ‘Aan het eind van de dag is het maar een draad.’

Berggren zal een samenvatting van het onderzoek presenteren op de IEEE Solid-state Circuits Conference van deze maand.

Verzet is zinloos

De meeste metalen verliezen hun weerstand en worden supergeleidend bij extreem lage temperaturen, meestal slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Ze zijn gewend om magnetische velden waar te nemen, vooral in zeer gevoelige situaties zoals het monitoren van hersenactiviteit. Ze hebben ook toepassingen in zowel kwantumcomputers als klassieke computers.

Aan veel van deze supergeleiders ligt een apparaat ten grondslag dat in de jaren zestig is uitgevonden, de Josephson-junctie genaamd – in wezen twee supergeleiders gescheiden door een dunne isolator. “Dat leidde tot conventionele supergeleidende elektronica, en uiteindelijk tot de supergeleidende kwantumcomputer”, zegt Berggren.

De Josephson-kruising “is in wezen een nogal delicaat object”, voegt Berggren toe. Dat vertaalt zich direct in kosten en complexiteit van de fabricage, vooral voor de dunne isolatie later. Josephson-junctie-gebaseerde supergeleiders werken misschien ook niet goed samen met anderen: “Als je probeert om het te verbinden met conventionele elektronica, zoals de soorten in onze telefoons of computers, overspoelt het geluid van die verbindingen de Josephson-junction. Dus dit gebrek aan vermogen om grotere objecten beheersen is een groot nadeel als je probeert te communiceren met de buitenwereld. “

Om deze nadelen te overwinnen, ontwikkelt Berggren een nieuwe technologie – de supergeleidende nanodraad – met wortels die ouder zijn dan de Josephson-overgang zelf.

Cryotron start opnieuw op

In 1956 publiceerde MIT-elektrotechnisch ingenieur Dudley Buck een beschrijving van een supergeleidende computerschakelaar, de cryotron. Het apparaat was niet meer dan twee supergeleidende draden: de ene was recht en de andere was eromheen gewikkeld. De cryotron fungeert als een schakelaar, want wanneer er stroom door de opgerolde draad vloeit, vermindert het magnetische veld de stroom die door de rechte draad vloeit.

Destijds was de cryotron veel kleiner dan andere soorten computerschakelaars, zoals vacuümbuizen of transistors, en Buck dacht dat de cryotron de bouwsteen van computers zou kunnen worden. Maar in 1959 stierf Buck plotseling op 32-jarige leeftijd, waardoor de ontwikkeling van de cryotron werd stopgezet. (Sindsdien zijn transistors geschaald naar microscopisch kleine afmetingen en vormen ze tegenwoordig de belangrijkste logische componenten van computers.)

Nu blaast Berggren Buck’s ideeën over supergeleidende computerschakelaars weer op. “De apparaten die we maken, lijken veel op cryotrons omdat ze geen Josephson-knooppunten nodig hebben”, zegt hij. Hij noemde zijn supergeleidende nanodraadapparaat de nano-cryotron als eerbetoon aan Buck – hoewel het een beetje anders werkt dan de originele cryotron.

De nano-cryotron gebruikt warmte om een ​​schakelaar te activeren, in plaats van een magnetisch veld. In het apparaat van Berggren loopt de stroom door een supergeleidende, onderkoelde draad die het “kanaal” wordt genoemd. Dat kanaal wordt doorsneden door een nog kleinere draad die een ‘smoorspoel’ wordt genoemd – zoals een snelweg met meerdere rijstroken die wordt doorsneden door een zijweg. Wanneer er stroom door de smoorspoel wordt gestuurd, valt de supergeleiding ervan af en warmt deze op. Zodra die warmte zich verspreidt van de smoorspoel naar het hoofdkanaal, verliest het hoofdkanaal ook zijn supergeleidende toestand.

De groep van Berggren heeft al een proof-of-concept aangetoond voor het gebruik van de nano-cryotron als een elektronische component. Een voormalige student van Berggren, Adam McCaughan, ontwikkelde een apparaat dat nano-cryotrons gebruikt om binaire cijfers toe te voegen. En Berggren heeft met succes nano-cryotrons gebruikt als interface tussen supergeleidende apparaten en klassieke, transistorgebaseerde elektronica.

Berggren zegt dat de supergeleidende nanodraad van zijn groep ooit een aanvulling zou kunnen zijn op – of misschien wel zou kunnen concurreren met – Josephson junctie-gebaseerde supergeleidende apparaten. “Draden zijn relatief eenvoudig te maken, dus het kan enkele voordelen hebben in termen van maakbaarheid”, zegt hij.

Hij denkt dat de nano-cryotron ooit een thuis zou kunnen vinden in supergeleidende kwantumcomputers en onderkoelde elektronica voor telescopen. Draden hebben een lage vermogensdissipatie, dus ze kunnen ook handig zijn voor energieverslindende toepassingen, zegt hij. “Het zal waarschijnlijk niet de transistors in je telefoon vervangen, maar als het de transistor in een serverfarm of datacenter zou kunnen vervangen? Dat zou een enorme impact hebben.”

Naast specifieke toepassingen heeft Berggren een brede kijk op zijn werk aan supergeleidende nanodraden. “We doen hier fundamenteel onderzoek. Hoewel we geïnteresseerd zijn in toepassingen, zijn we ook gewoon geïnteresseerd in: wat zijn een aantal verschillende manieren om aan computers te doen? Als samenleving hebben we ons echt gericht op halfgeleiders en transistors. . Maar we willen weten wat er nog meer is. ”