Inspirado por décadas Con La investigación y la nueva tecnología podrían mejorar las computadoras cuánticas y otros componentes electrónicos superconductores.

Los superconductores, materiales que conducen la electricidad sin resistencia, son excelentes. Proporciona una descripción macroscópica de los fenómenos cuánticos, que normalmente solo se pueden observar a nivel atómico. Además de sus propiedades físicas, los superconductores también son útiles. Se encuentran en imágenes médicas, computadoras cuánticas y cámaras utilizadas con telescopios.

Pero los dispositivos superconductores pueden ser complicados. A menudo es caro y propenso a errores fabricar a partir del ruido ambiental. Eso podría cambiar, gracias a la investigación realizada por Karl Bergen Group en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática.

Los investigadores están trabajando para desarrollar nanocables superconductores, que podrían permitir una electrónica superconductora más eficiente. Bergreen dice que los beneficios potenciales de los nanocables se derivan de su simplicidad. “Al final del día, es solo un cable”.

Berggren presentará un resumen de la investigación en la Conferencia de Circuitos de Estado Sólido IEEE de este mes.

La resistencia es inútil

La mayoría de los metales pierden resistencia y se vuelven superconductores a temperaturas extremadamente bajas, generalmente unos pocos grados más. Cero absoluto. Se utilizan para detectar campos magnéticos, especialmente en situaciones muy sensibles como la monitorización de la actividad cerebral. También tienen aplicaciones tanto en computación cuántica como en computación clásica.

Detrás de muchos de estos superconductores se encuentra un dispositivo inventado en la década de 1960 llamado unión Josephson: estos son dos superconductores separados por un aislante delgado. “Esto es lo que llevó a la electrónica superconductora convencional y, finalmente, a la computadora cuántica superconductora”, dice Bergreen.

Sin embargo, la cruz de Josephson “es básicamente algo muy delicado”, añade Bergreen. Esto se traduce directamente en el costo y la complejidad de la fabricación, especialmente para el aislamiento posterior más delgado. Un superconductor basado en una unión Josephson puede no funcionar bien para otros: “Si intenta conectarlo a dispositivos electrónicos convencionales, como los tipos de nuestros teléfonos o computadoras, el ruido de ellos abruma la unión Josephson. Entonces, esta falta de capacidad para controlar las cosas grandes El tamaño es una verdadera desventaja cuando se trata de interactuar con el mundo exterior “.

Para superar estas deficiencias, Bergreen está desarrollando una nueva tecnología, nanocables superconductores, con raíces más antiguas que la unión de Josephson.

Reiniciar Cryotron

En 1956, el ingeniero eléctrico del MIT, Dudley Buck, publicó una descripción de un interruptor de computadora superconductor llamado criotrón. El dispositivo era poco más que dos cables superconductores: uno recto y el otro enrollado a su alrededor. El criotrón actúa como un interruptor, porque cuando la corriente fluye a través del alambre enrollado, su campo magnético reduce el flujo de corriente a través del alambre recto.

En ese momento, los criotrones eran mucho más pequeños que otros tipos de interruptores informáticos, como tubos de vacío o transistores, y Buck pensó que el criotrón podría convertirse en el componente básico de las computadoras. Pero en 1959, Buck murió repentinamente a la edad de 32 años, deteniendo el desarrollo del dispositivo Chryotron. (Desde entonces, los transistores se han escalado a tamaños microscópicos y hoy forman los componentes lógicos básicos de las computadoras).

Ahora, Bergreen está reviviendo las ideas de Buck sobre los interruptores de computadora superconductores. “Los dispositivos que fabricamos son muy similares a los criotrones en el sentido de que no requieren uniones Josephson”, dice. Llamó a su dispositivo a nanoescala superconductor nanocriotrón en honor a Buck, aunque funciona de manera un poco diferente al criotrón original.

El criotrón a nanoescala utiliza calor para activar un interruptor, en lugar de un campo magnético. En un dispositivo Berggreen, la corriente pasa a través de un cable superconductor, superenfriado llamado “conducto”. Este conducto está cruzado por un cable más pequeño llamado “acelerador”, como una carretera de varios carriles que se cruza con una carretera lateral. Cuando se envía corriente a través del acelerador, la superconductividad se interrumpe y se calienta. Una vez que este calor se difunde desde el acelerador hasta el canal principal, también hace que el canal principal pierda su estado superconductor.

El Grupo Bergren ya ha demostrado el concepto de utilizar nanocreatron como componente electrónico. Adam McCaughan, un ex alumno de Bergreen, desarrolló un dispositivo que usa nanocryotrones para sumar números binarios. Berggren ha utilizado con éxito crotones a nanoescala como interfaz entre dispositivos superconductores y electrónica clásica basada en transistores.

Bergreen dice que los nanocables superconductores de su grupo podrían algún día complementar, o quizás rivalizar, con los dispositivos superconductores basados ​​en uniones de Josephson. “El alambre es relativamente fácil de hacer, por lo que podría tener algunas ventajas en términos de trabajabilidad”, dice.

Se cree que el criotrón a nanoescala podría algún día encontrar un lugar en las computadoras cuánticas superconductoras y en la electrónica superenfriada para los telescopios. Él dice que los cables tienen baja disipación de energía, por lo que también podrían ser útiles para aplicaciones que consumen mucha energía. “Probablemente no reemplazará los transistores en su teléfono, pero ¿podría reemplazar el transistor en una granja de servidores o centro de datos? Eso tendría un gran impacto”.

Más allá de las aplicaciones específicas, Berggren analiza ampliamente su trabajo sobre nanocables superconductores. “Estamos haciendo investigación básica aquí. Si bien estamos interesados ​​en aplicaciones, también estamos interesados ​​en: ¿Cuáles son algunos de los diferentes tipos de formas de hacer informática? Como sociedad, nos hemos centrado realmente en los semiconductores y transistores. Pero queremos saber qué más podría haber “.

El financiamiento inicial para la investigación de nanocryotrones en el Laboratorio Bergerine fue proporcionado por la National Science Foundation.