Tecnologia Científica

Nanowire pode fornecer um transistor supercondutor estável e fácil de fazer
Inspirada por pesquisas de décadas do MIT, a nova tecnologia poderia impulsionar os computadores quânticos e outros eletrônicos supercondutores.
Por Daniel Ackerman - 15/02/2021


Os pesquisadores do MIT estão desenvolvendo um nanofio supercondutor, que pode permitir uma eletrônica supercondutora mais eficiente. Créditos:Imagem: Christine Daniloff, MIT

Supercondutores - materiais que conduzem eletricidade sem resistência - são notáveis. Eles fornecem um vislumbre macroscópico dos fenômenos quânticos, que geralmente são observáveis ​​apenas no nível atômico. Além de sua peculiaridade física, os supercondutores também são úteis. Eles são encontrados em imagens médicas, computadores quânticos e câmeras usadas com telescópios.

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

Os pesquisadores estão desenvolvendo um nanofio supercondutor, que pode permitir uma eletrônica supercondutora mais eficiente. Os benefícios potenciais do nanofio derivam de sua simplicidade, diz Berggren. “No final do dia, é apenas um fio.”

Berggren apresentará um resumo da pesquisa na IEEE Solid-state Circuits Conference deste mês.

Resistir é inútil

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 magnéticos, especialmente em situações altamente sensíveis, como monitorar a atividade cerebral. Eles também têm aplicações em computação quântica e clássica.

Subjacente a muitos desses supercondutores está um dispositivo inventado na década de 1960 chamado junção Josephson - essencialmente dois supercondutores separados por um isolador fino. “Isso é o que levou à eletrônica supercondutora convencional e, finalmente, ao computador quântico supercondutor”, diz Berggren.

No entanto, a junção Josephson “é fundamentalmente 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 você tentar fazer a interface com a eletrônica convencional, como os que existem em nossos telefones ou computadores, o ruído desses apenas inundará a junção Josephson. Portanto, essa falta de capacidade de controlar objetos em grande escala é uma desvantagem real quando você está tentando interagir com o mundo exterior. ”

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

Reinicialização do Cryotron

Em 1956, o engenheiro elétrico 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 época, o criotron era muito menor do que outros tipos de comutadores de computação, como tubos a vácuo 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 microscópicos e hoje constituem os principais componentes lógicos dos computadores.)

Agora, Berggren está reacendendo 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 magnético. No dispositivo de Berggren, a corrente passa por um fio supercondutor super-resfriado chamado de "canal". Esse canal é interceptado por um fio ainda menor, chamado de “estrangulamento” - como uma rodovia multilinha cortada por uma estrada lateral. Quando a corrente é enviada através do estrangulamento, sua supercondutividade é quebrada 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 eletrônico. Um ex-aluno de Berggren, Adam McCaughan, desenvolveu um dispositivo que usa nano-criotrons para adicionar dígitos binários. E Berggren usou com sucesso nano-criotrons como uma interface entre dispositivos supercondutores e eletrônicos clássicos baseados em transistores.

Berggren diz que o nanofio supercondutor de seu grupo poderá um dia complementar - ou talvez competir com - dispositivos supercondutores baseados em junções Josephson. “Os fios são relativamente fáceis 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 quânticos supercondutores e eletrônicos super-resfriados para telescópios. Os fios têm baixa dissipação de energia, então também podem ser úteis 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 específicas, 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 lá fora. ”

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

 

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