En termisk superledende kvanteinterferens nærhedstransistor

Superledere er materialer, der kan opnå en tilstand kendt som superledning, hvor stof ikke har nogen elektrisk modstand og ikke tillader indtrængning af magnetiske felter. Ved lave temperaturer er disse materialer kendt for at være meget effektive termiske isolatorer, og på grund af den såkaldte nærhedseffekt kan de også påvirke tætheden af ​​tilstande af nærliggende metalliske eller superledende ledninger.

Forskere ved Istituto Nanoscienze (CNR) og Scuola Normale Superiore i Italien har for nylig udviklet en transistor, der udnytter denne specifikke kvalitet af superledere. Deres transistor, kaldet en termisk superledende kvanteinterferens nærhedstransistor (T-SQUIPT), blev introduceret i et papir offentliggjort i Nature Physics .

"Vores arbejde ligger inden for rammerne af fasekohærent kaloritronik, der har til formål at forestille sig og realisere enheder, der er i stand til at mestre energioverførsel i forskellige kvanteteknologiske arkitekturer i nanoskala," fortalte Francesco Giazotto, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys. .org.

Hovedideen bag T-SQUIPT, transistoren udviklet af Giazotto og hans kolleger, er at tune de termiske egenskaber af et metal eller en superleder ved at kontrollere dets spektrale karakteristika, gennem den såkaldte superledende nærhedseffekt. I det væsentlige udnytter transistoren den makroskopiske superledende kvantefase til at kontrollere tætheden af ​​tilstande i et metal i nærheden af ​​superlederen og modulerer dermed dens termiske transportegenskaber.

"T-SQUIPT blev først teoretisk foreslået af nogle af forfatterne af vores seneste papir for flere år siden, selvom det ikke er nogen konkret erkendelse endnu," sagde Giazotto. "Vores implementering af T-SQUIPT udnytter en lang superledende nanotråd som nærliggende element, hvilket giver os mulighed for at demonstrere muligheden for at fase-tune en superleders termiske transportegenskaber og også realisere den første termiske hukommelsescelle."

Normale metaller er kendt for at være gode ledere af både elektricitet og varme, da de er i stand til at tillade elektroner indeholdt i deres krystaller at overføre varme og ladning. I modsætning hertil, mens superledere er gode elektriske ledere (dvs. viser nul modstand), er de dårlige termiske ledere, da de vigtigste "frie bærere" i deres krystaller er Cooper-par. Cooper-par er ladede elektronpar, der ikke kan overføre varme, da de er dissipationsløse i naturen.

"Kernekonceptet i T-SQUIPT er en nanoskopisk ø af aluminium (Al), der kan gøres superledende- eller normalt metallignende med kvanteinterferens induceret af to superledende ledninger, der definerer en ring og placeres i god metallisk kontakt med øen." Giazotto forklarede.

"For heltalværdier af fluxkvantemet, der gennemborer den superledende sløjfe, forstærkes superledning, og øen opfører sig som en god termisk isolator. For halvheltalsværdier af fluxkvantum er superledning ideelt undertrykt, og øen opfører sig som en god termisk leder ."

Dette unikke design, som først blev introduceret af forskerne i et papir offentliggjort i 2014, giver dem mulighed for at undertrykke eller forstærke superledning i deres transistor efter eget ønske, blot ved at anvende et eksternt magnetfelt. Som et resultat kan den termiske ledningsevne af aluminiumsøen i transistoren manipuleres fuldt ud, hvilket gør den til en såkaldt termisk ventil.

Som en del af deres nylige undersøgelse demonstrerede Giazotto og deres kolleger denne evne hos deres transistor ved at synke varme fra en metallisk elektrode ind i den, som også var koblet til aluminiumsøen gennem en tunnelkontakt. Samlet set viser deres resultater gennemførligheden af ​​fasekohærent manipulation af energitransportegenskaberne af kvanteanordninger.

"T-SQUIPT åbner vejen til realiseringen af ​​strukturer, hvor styringen af ​​varmetransporten gør det muligt at forestille sig og realisere de termiske modstykker til elektroniske enheder, såsom termiske transistorer, hukommelser, logiske porte og termoelektriske motorer," sagde Giazotto. "Fra et grundlæggende synspunkt demonstrerer vores metode også muligheden for at undersøge ladningsløse kvantetilstande i faststofsystemer, såsom Majorana-bundne tilstande og parafermioner, der ikke kunne detekteres med konventionelle ladningstransportteknikker."

I fremtiden kan T-SQUIPT-transistoren bane vejen mod realiseringen af ​​en række nye enheder. Det seneste papir forbedrer også den nuværende forståelse af energioverførsel på nanoskala og forbedrer dermed potentielt dens styring.

I fremtiden kan det nylige arbejde af Giazotto og hans kolleger inspirere til nye undersøgelser, der undersøger de kvantetermodynamiske egenskaber i superledende nanosystemer. I deres næste undersøgelser vil teamet ved Istituto Nanoscienze (CNR) og Scuola Normale Superiore forsøge at forbedre ydeevnen af ​​T-SQUIPT ved at forbedre designet af den termiske ventil og ved at bruge superledende materialer, der tillader dens anvendelse ved temperaturer på nogle få Kelvin-grader.

"Vi planlægger også at studere hukommelsescellens tidsrespons for at undersøge dens skrive-/slettetid og dens evne til at beholde de kodede data over flere dage," tilføjede Giazotto. "Dette ville repræsentere det næste afgørende skridt for en praktisk implementering af termisk databehandling og hukommelseslogikarkitekturer." + Udforsk yderligere

Kvantetermisk transistor kan styre varmestrømme

© 2022 Science X Network