Nanowire kunne give en stabil, superledende transistor, der er let at lave

Superledere - materialer, der leder elektricitet uden modstand - er bemærkelsesværdige. De giver et makroskopisk indblik i kvantefænomener, som normalt kun kan observeres på atomniveau. Ud over deres fysiske ejendommelighed, superledere er også nyttige. De findes i medicinsk billedbehandling, kvantecomputere, og kameraer, der bruges sammen med teleskoper.

Men superledende enheder kan være kræsne. Tit, de er dyre at fremstille og tilbøjelige til at tage fejl af miljøstøj. Det kan ændre sig, takket være forskning fra Karl Berggrens gruppe i Institut for Elektroteknik og Datalogi.

Forskerne er ved at udvikle en superledende nanotråd, som kunne muliggøre mere effektiv superledende elektronik. Nanotrådens potentielle fordele stammer fra dens enkelhed, siger Berggren. "I sidste ende, det er bare en ledning."

Berggren vil præsentere et resumé af forskningen på denne måneds IEEE Solid-state Circuits Conference.

Modstand er nyttesløs

De fleste metaller mister modstand og bliver superledende ved ekstremt lave temperaturer, normalt kun et par grader over det absolutte nulpunkt. De er vant til at fornemme magnetiske felter, især i meget følsomme situationer som overvågning af hjerneaktivitet. De har også applikationer inden for både kvante- og klassisk computing.

Underliggende mange af disse superledere er en enhed opfundet i 1960'erne kaldet Josephson junction - i det væsentlige to superledere adskilt af en tynd isolator. "Det er det, der førte til konventionel superledende elektronik, og så i sidste ende til den superledende kvantecomputer, siger Berggren.

Imidlertid, Josephson-krydset "er grundlæggende et temmelig delikat objekt, " tilføjer Berggren. Det oversættes direkte til omkostninger og kompleksitet ved fremstilling, især til den tynde isolering senere. Josephson junction-baserede superledere spiller muligvis heller ikke godt sammen med andre:"Hvis du prøver at forbinde det med konventionel elektronik, som den slags i vores telefoner eller computere, støjen fra disse bare sumper Josephson-krydset. Så, denne manglende evne til at kontrollere objekter i større skala er en reel ulempe, når du forsøger at interagere med omverdenen."

For at overvinde disse ulemper, Berggren er ved at udvikle en ny teknologi – den superledende nanotråd – med rødder ældre end selve Josephson-krydset.

Genstart af kryotron

I 1956, MIT elektriske ingeniør Dudley Buck offentliggjorde en beskrivelse af en superledende computerswitch kaldet kryotronen. Enheden var lidt mere end to superledende ledninger:Den ene var lige, og den anden blev viklet rundt om den. Kryotronen fungerer som en switch, fordi når strømmen løber gennem den oprullede ledning, dets magnetfelt reducerer strømmen, der løber gennem den lige ledning.

På det tidspunkt, kryotronen var meget mindre end andre typer computeromskiftere, som vakuumrør eller transistorer, og Buck troede, at kryotronen kunne blive computerens byggesten. Men i 1959 Buck døde pludseligt i en alder af 32, standse udviklingen af ​​kryotronen. (Siden da, transistorer er blevet skaleret til mikroskopiske størrelser og udgør i dag de centrale logiske komponenter i computere.)

Nu, Berggren genopliver Bucks ideer om superledende computerkontakter. "De enheder, vi laver, ligner meget kryotroner, idet de ikke kræver Josephson-forbindelser, " siger han. Han døbte sin superledende nanowire-enhed nano-kryotronen til hyldest til Buck - selvom den virker lidt anderledes end den originale kryotron.

Nano-kryotronen bruger varme til at udløse en kontakt, snarere end et magnetfelt. I Berggrens apparat, strøm løber gennem en superledende, superkølet ledning kaldet "kanalen". Den kanal er gennemskåret af en endnu mindre ledning kaldet en "choke" - som en flersporet motorvej gennemskåret af en sidevej. Når der sendes strøm gennem chokeren, dens superledningsevne nedbrydes og den opvarmes. Når den varme spredes fra chokeren til hovedkanalen, det får hovedkanalen til også at miste sin superledende tilstand.

Berggrens gruppe har allerede demonstreret proof-of-concept for nano-cryotronens brug som en elektronisk komponent. En tidligere elev af Berggrens, Adam McCaughan, udviklet en enhed, der bruger nano-kryotroner til at tilføje binære cifre. Og Berggren har med succes brugt nano-kryotroner som en grænseflade mellem superledende enheder og klassiske, transistor-baseret elektronik.

Berggren siger, at hans gruppes superledende nanotråd en dag kunne komplementere - eller måske konkurrere med - Josephson junction-baserede superledende enheder. "Tråde er relativt nemme at lave, så det kan have nogle fordele med hensyn til fremstillingsevne, " han siger.

Han tror, ​​at nano-kryotronen en dag kunne finde et hjem i superledende kvantecomputere og superkølet elektronik til teleskoper. Ledninger har lav effektafledning, så de kan også være praktiske til energikrævende applikationer, han siger. "Det kommer nok ikke til at erstatte transistorerne i din telefon, men hvis det kunne erstatte transistoren i en serverfarm eller datacenter? Det ville have en enorm indflydelse."

Ud over specifikke applikationer, Berggren ser bredt på sit arbejde med superledende nanotråde. "Vi laver grundlæggende forskning, her. Mens vi er interesserede i ansøgninger, vi er bare også interesserede i:Hvad er nogle forskellige måder at lave computer på? Som samfund, vi har virkelig fokuseret på halvledere og transistorer. Men vi vil gerne vide, hvad der ellers kan være derude."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.