Superledende nanotråd hukommelsescelle, miniaturiseret teknologi

Superledende nanoskala hukommelsesenhed. Den binære information er kodet i retning af den elektriske strøm i sløjfen. Når strømmen flyder med uret, dette betragtes som en '0' tilstand for hukommelsesenheden. Når den flyder mod uret, dette er en '1' tilstand for hukommelsesenheden. Fordi elektronerne er superledende, strømmen flyder på ubestemt tid i sløjferne, gør hukommelsen ikke -flygtig. (a) et fotografi af hukommelsesenheden, bestående af en superledende strimmel Mo75Ge25 (gul) med et par superledende nanotråde, der danner en lukket sløjfe (også gul):Nanotrådens bredde er 24 nm og 22 nm, som markeret. (b) Den kritiske strøm, dvs. den maksimale strøm, der kan injiceres i enheden uden at ødelægge superledning, er afbildet som en funktion af magnetfelt. For at indstille hukommelsestilstanden '0', vi anvender positiv strøm rettet mod den skyggefulde diamant. For at indstille hukommelsen til tilstanden '1', der påføres en negativ strøm (som det samme eksterne magnetfelt). For at aflæse hukommelsestilstanden, strømmen øges til en højere værdi, som vist af den røde rombe, og den aktuelle værdi, ved hvilken spænding opstår, måles. En sådan værdi er den kritiske strøm. Dens statistiske fordeling er vist i (c). Den målte værdi af den kritiske strøm afhænger af den forudindstillede hukommelsesværdi, '0' eller '1'. Ved at måle den kritiske strøm er vi således i stand til at bestemme tilstanden for hukommelsescellen. Kredit:. Alexey Bezryadin og Andrew Murphey, University of Illinois i Urbana-Champaign

Udvikling af en superledende computer, der ville udføre beregninger ved høj hastighed uden varmeafledning, har været målet for flere forsknings- og udviklingsinitiativer siden 1950'erne. Sådan en computer ville kræve en brøkdel af energien, som supercomputere bruger, og ville være mange gange hurtigere og mere kraftfuld. På trods af lovende fremskridt i denne retning i løbet af de sidste 65 år, der er betydelige forhindringer tilbage, herunder til udvikling af miniaturiseret hukommelse med lav spredning.

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en ny nanoskala-hukommelsescelle, der rummer et enormt løfte om succesfuld integration med superledende processorer. Den nye teknologi, skabt af professor i fysik Alexey Bezryadin og kandidatstuderende Andrew Murphy, i samarbejde med Dmitri Averin, professor i teoretisk fysik ved State University of New York i Stony Brook, giver stabil hukommelse i en mindre størrelse end andre foreslåede hukommelsesenheder.

Enheden består af to superledende nanotråde, fastgjort til to ujævnt fordelt elektroder, der blev "skrevet" ved hjælp af elektronstråle litografi. Nanotråde og elektroder danner en asymmetrisk, lukket superledende sløjfe, kaldet en nanotråd 'SQUID' (superledende kvanteinterferensenhed). Strømretningen, der strømmer gennem sløjfen, enten med eller mod uret, svarer til "0" eller "1" i binær kode.

Hukommelsestilstanden skrives ved at anvende en oscillerende strøm af en bestemt størrelse, ved et specifikt magnetfelt. For at læse hukommelsestilstanden øger forskerne strømmen og registrerer den aktuelle værdi, hvorved superledelse bliver ødelagt. Det viser sig, at en sådan ødelæggelse eller kritisk strøm er forskellig for de to hukommelsestilstande, "0" eller "1". Forskerne testede hukommelsesstabilitet, forsinket læsning af staten, og fandt ingen tilfælde af hukommelsestab. Holdet udførte disse eksperimenter på to nanotrådsQUIDER, lavet af superlederen Mo75Ge25, ved hjælp af en metode kaldet molekylær templating. Resultaterne offentliggøres den 13. juni, 2017 New Journal of Physics .

Bezryadin kommentarer, "Dette er meget spændende. Sådanne superledende hukommelsesceller kan skaleres i størrelse til et område på få titalls nanometer, og er ikke underlagt de samme ydelsesproblemer som andre foreslåede løsninger. "

Murphy tilføjer, "Andre bestræbelser på at oprette en nedskaleret superledende hukommelsescelle kunne ikke nå den skala, vi har. En superledende hukommelsesenhed skal være billigere at fremstille end standardhukommelse nu, og det skal være tæt, lille, og hurtigt. "

Indtil nu, de mest lovende supercomputende hukommelsesenheder, kaldet 'single-flux quanta' enheder, stole på manipulerende kredsløb sammensat af Josephson -kryds og induktive elementer. Disse er i mikrometerområdet, og miniaturisering af disse enheder er begrænset af størrelsen på Josephson -krydsene og deres geometriske induktanser. Nogle af disse kræver også ferromagnetiske barrierer for at kode oplysninger, hvor Bezryadin og Murphys enhed ikke kræver nogen ferromagnetiske komponenter og eliminerer kryds-talk af magnetfelt.

"Fordi den kinetiske induktans stiger med faldende tværsnitsdimensioner af ledningen, nanowire SQUID -hukommelseselementer kan reduceres yderligere, i intervallet på titalls nanometer, "Bezryadin fortsætter.

Forskerne hævder, at denne enhed kan fungere med en meget lav energispredning, hvis energierne i to binære tilstande er ens eller nær lige store. Den teoretiske model for sådanne operationer blev udviklet i samarbejde med Averin Skiftet mellem tilstande med lige energi vil blive opnået enten ved kvantetunnel eller ved adiabatiske processer sammensat af flere spring mellem staterne.

I det fremtidige arbejde, Bezryadin planlægger at behandle målingerne af skiftetiden og studere større arrays af nanotrådblæksprutterne i funktion som arrays af hukommelseselementer. De vil også teste superledere med højere kritiske temperaturer, med målet om et hukommelseskredsløb, der ville fungere ved 4 Kelvin. Hurtige operationer opnås ved at udnytte mikrobølgeimpulser.

Sidste artikelHvordan man bygger det perfekte sandslot - ifølge videnskab

Næste artikelEinstein-breve om kvanteteori og Gud, der skal bortauktioneres