Het ontwikkelen van een supergeleidende computer die berekeningen op hoge snelheid zou uitvoeren zonder warmteafvoer is het doel van verschillende onderzoeks- en ontwikkelingsinitiatieven sinds de jaren vijftig. Zo'n computer zou een fractie van de huidige energie verbruiken van supercomputers, en zou vele malen sneller en krachtiger zijn. Ondanks veelbelovende vorderingen in deze richting in de afgelopen 65 jaar, blijven er aanzienlijke obstakels bestaan, inclusief bij het ontwikkelen van geminiaturiseerd geheugen met lage dissipatie.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een nieuwe geheugencel op nanoschaal ontwikkeld die een enorme belofte inhoudt voor succesvolle integratie met supergeleidende processors. De nieuwe technologie, gemaakt door hoogleraar natuurkunde Alexey Bezryadin en afgestudeerde student Andrew Murphy, in samenwerking met Dmitri Averin, een professor in de theoretische natuurkunde aan de State University van New York in Stony Brook, biedt stabiel geheugen met een kleinere omvang dan andere voorgestelde geheugenapparaten.

Het apparaatje bestaat uit twee supergeleidende nanodraden, bevestigd aan twee ongelijk verdeelde elektroden die waren "geschreven" met behulp van elektronenstraallithografie. De nanodraden en elektroden vormen een asymmetrische, gesloten supergeleidende lijn, een nanodraad 'SQUID' (supergeleidend kwantuminterferentieapparaat) genoemd. De richting van de stroom die door de lus vloeit, met de klok mee of tegen de klok in, komt overeen met de "0" of "1" van binaire code.

De geheugenstatus wordt geschreven door een oscillerende stroom van een bepaalde grootte aan te leggen, bij een bepaald magnetisch veld. Om de geheugenstatus te lezen, voeren de wetenschappers de stroom op en detecteren de huidige waarde waarbij supergeleiding wordt vernietigd. Het blijkt dat een dergelijke vernietiging of kritische stroom verschillend is voor de twee geheugentoestanden, "0" of "1". De wetenschappers testten geheugenstabiliteit, het uitstellen van het lezen van de staat, en vond geen gevallen van geheugenverlies. Het team voerde deze experimenten uit op twee nanodraad SQUIDS, gemaakt van de supergeleider Mo75Ge25, met behulp van een methode die moleculaire sjablonen wordt genoemd. De resultaten zijn gepubliceerd in de 13 juni, 2017 Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

Bezryadin opmerkingen, "Dit is heel opwindend. Dergelijke supergeleidende geheugencellen kunnen worden verkleind tot enkele tientallen nanometers, en zijn niet onderhevig aan dezelfde prestatieproblemen als andere voorgestelde oplossingen."

Murphy voegt eraan toe, "Andere pogingen om een ​​verkleinde supergeleidende geheugencel te maken, konden de schaal die we hebben niet bereiken. Een supergeleidend geheugenapparaat moet nu goedkoper te produceren zijn dan standaardgeheugen, en het moet dik zijn, klein, en snel."

Tot nu toe, de meest veelbelovende geheugenapparaten voor supercomputers, zogenaamde 'single-flux quanta'-apparaten, vertrouwen op het manipuleren van circuits die zijn samengesteld uit Josephson-juncties en inductieve elementen. Deze zijn in het micrometerbereik, en miniaturisatie van deze apparaten wordt beperkt door de grootte van de Josephson-overgangen en hun geometrische inductanties. Sommige hiervan vereisen ook ferromagnetische barrières om informatie te coderen, waar het apparaat van Bezryadin en Murphy geen ferromagnetische componenten vereist en overspraak van magnetische velden elimineert.

"Omdat de kinetische inductantie toeneemt met afnemende afmetingen van de dwarsdoorsnede van de draad, nanodraad SQUID-geheugenelementen kunnen verder worden verminderd, in het bereik van tientallen nanometers, ’ vervolgt Bezryadin.

De onderzoekers stellen dat dit apparaat kan werken met een zeer lage energiedissipatie, als de energieën van twee binaire toestanden gelijk of bijna gelijk zijn. Het theoretische model voor dergelijke operaties is ontwikkeld in samenwerking met Averin. Het schakelen tussen de toestanden van gelijke energie zal ofwel worden bereikt door kwantumtunneling of door adiabatische processen die bestaan ​​uit meerdere sprongen tussen de toestanden.

Bij toekomstig werk, Bezryadin is van plan om de metingen van de schakeltijd aan te pakken en grotere arrays van de nanodraad-inktvissen te bestuderen die functioneren als arrays van geheugenelementen. Ze zullen ook supergeleiders testen met hogere kritische temperaturen, met het doel van een geheugencircuit dat zou werken op 4 Kelvin. Snelle operaties zullen worden bereikt door gebruik te maken van microgolfpulsen.