Supercondutores - materiais que conduzem eletricidade sem resistência - são nota¡veis. Eles fornecem um vislumbre macrosca³pico dos fena´menos qua¢nticos, que geralmente são observa¡veis ​​apenas nonívelata´mico. Além de sua peculiaridade física, os supercondutores também são aºteis. Eles são encontrados em imagens médicas, computadores qua¢nticos e ca¢meras usadas com telesca³pios.

Mas os dispositivos supercondutores podem ser complicados. Frequentemente, eles são caros para fabricar e tendem a apresentar erros devido ao rua­do ambiental. Isso pode mudar, graças a  pesquisa do grupo de Karl Berggren no Departamento de Engenharia Elanãtrica e Ciência da Computação.

Os pesquisadores estãodesenvolvendo um nanofio supercondutor, que pode permitir uma eletra´nica supercondutora mais eficiente. Os benefa­cios potenciais do nanofio derivam de sua simplicidade, diz Berggren. “No final do dia, éapenas um fio.”

Berggren apresentara¡ um resumo da pesquisa na IEEE Solid-state Circuits Conference deste maªs.

A maioria dos metais perde resistência e se torna supercondutora em temperaturas extremamente baixas, geralmente apenas alguns graus acima do zero absoluto. Eles são usados ​​para detectar campos magnanãticos, especialmente em situações altamente sensa­veis, como monitorar a atividade cerebral. Eles também tem aplicações em computação qua¢ntica e cla¡ssica.

Subjacente a muitos desses supercondutores estãoum dispositivo inventado na década de 1960 chamado junção Josephson - essencialmente dois supercondutores separados por um isolador fino. “Isso éo que levou a  eletra´nica supercondutora convencional e, finalmente, ao computador qua¢ntico supercondutor”, diz Berggren.

No entanto, a junção Josephson “éfundamentalmente um objeto bastante delicado”, acrescenta Berggren. Isso se traduz diretamente em custo e complexidade de fabricação, especialmente para o isolamento fino posterior. Os supercondutores baseados em junção Josephson também podem não funcionar bem com os outros: “Se vocêtentar fazer a interface com a eletra´nica convencional, como os que existem em nossos telefones ou computadores, o rua­do desses apenas inundara¡ a junção Josephson. Portanto, essa falta de capacidade de controlar objetos em grande escala éuma desvantagem real quando vocêestãotentando interagir com o mundo exterior. ”

Para superar essas desvantagens, Berggren estãodesenvolvendo uma nova tecnologia - o nanofio supercondutor - com raa­zes mais antigas do que a própria junção Josephson.

Em 1956, o engenheiro elanãtrico do MIT Dudley Buck publicou uma descrição de um switch supercondutor de computador chamado criotron. O dispositivo era pouco mais do que dois fios supercondutores: um era reto e o outro enrolado. O criotron atua como uma chave, porque quando a corrente flui pelo fio espiralado, seu campo magnético reduz a corrente que flui pelo fio reto.

Na anãpoca, o criotron era muito menor do que outros tipos de comutadores de computação, como tubos a va¡cuo ou transistores, e Buck achava que o criotron poderia se tornar o bloco de construção dos computadores. Mas em 1959, Buck morreu repentinamente aos 32 anos, interrompendo o desenvolvimento do criotron. (Desde então, os transistores foram redimensionados para tamanhos microsca³picos e hoje constituem os principais componentes la³gicos dos computadores.)

Agora, Berggren estãoreacendendo as ideias de Buck sobre supercondutores de interruptores de computador. “Os dispositivos que estamos fabricando são muito parecidos com os criotrons, pois não requerem junções Josephson”, diz ele. Ele apelidou seu dispositivo de nanofio supercondutor de nano-criotron em homenagem a Buck - embora funcione um pouco diferente do que o criotron original.

O nano-criotron usa calor para acionar uma chave, em vez de um campo magnanãtico. No dispositivo de Berggren, a corrente passa por um fio supercondutor super-resfriado chamado de "canal". Esse canal éinterceptado por um fio ainda menor, chamado de “estrangulamento” - como uma rodovia multilinha cortada por uma estrada lateral. Quando a corrente éenviada atravanãs do estrangulamento, sua supercondutividade équebrada e ele se aquece. Uma vez que o calor se espalha do estrangulamento para o canal principal, ele faz com que o canal principal também perca seu estado supercondutor.

O grupo de Berggren já demonstrou a prova de conceito para o uso do nano-criotron como um componente eletra´nico. Um ex-aluno de Berggren, Adam McCaughan, desenvolveu um dispositivo que usa nano-criotrons para adicionar da­gitos binários. E Berggren usou com sucesso nano-criotrons como uma interface entre dispositivos supercondutores e eletra´nicos cla¡ssicos baseados em transistores.

Berggren diz que o nanofio supercondutor de seu grupo podera¡ um dia complementar - ou talvez competir com - dispositivos supercondutores baseados em junções Josephson. “Os fios são relativamente fa¡ceis de fazer, por isso podem ter algumas vantagens em termos de capacidade de fabricação”, diz ele.

Ele acha que o nano-criotron poderia um dia encontrar um lar em computadores qua¢nticos supercondutores e eletra´nicos super-resfriados para telesca³pios. Os fios tem baixa dissipação de energia, então também podem ser aºteis para aplicações que consomem muita energia, diz ele. “Provavelmente não vai substituir os transistores em seu telefone, mas se pudesse substituir o transistor em um servidor ou data center? Isso seria um grande impacto. ”

Além das aplicações especa­ficas, Berggren tem uma visão ampla de seu trabalho com nanofios supercondutores. “Estamos fazendo pesquisas fundamentais, aqui. Embora estejamos interessados ​​em aplicativos, também estamos interessados ​​em: Quais são alguns tipos diferentes de maneiras de fazer computação? Como sociedade, realmente nos concentramos em semicondutores e transistores. Mas queremos saber o que mais pode estar la¡ fora. ”

O financiamento inicial para pesquisa de nano-criotron no laboratório de Berggren foi fornecido pela National Science Foundation.