Magnetische kwantumobjecten in supergeleiders, zogenaamde "fluxons, " zijn bijzonder geschikt voor de opslag en verwerking van databits. Computerschakelingen op basis van fluxons zouden met aanzienlijk hogere snelheid kunnen worden gebruikt en veel minder warmte kunnen afvoeren. Natuurkundigen die met Wolfgang Lang werken aan de Universiteit van Wenen en hun collega's aan de Johannes-Kepler- University Linz heeft met een nieuwe en eenvoudige methode een "quantum eierdoos" ontwikkeld. Ze realiseerden een stabiele en regelmatige opstelling van honderdduizenden fluxons - een baanbrekende ontwikkeling voor circuits op basis van fluxons. De resultaten verschijnen in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast van de American Physical Society.

Het versnellen van de gegevensverwerking in computers gaat hand in hand met een hogere warmteontwikkeling, die de prestaties van snelle computers beperkt. Onderzoekers streven daarom naar digitale circuits op basis van supergeleiders, materialen die elektriciteit zonder verlies kunnen transporteren wanneer ze onder een bepaalde kritische temperatuur worden gekoeld.

Magnetische kwantumobjecten in supergeleiders

In een supergeleider, een magnetisch veld kan alleen bestaan ​​in kleine gekwantiseerde stukjes die fluxons worden genoemd. Deze zijn bijzonder geschikt voor de opslag en verwerking van databits. In een homogene supergeleider, de fluxons zijn gerangschikt in een hexagonaal rooster. Met behulp van moderne nanotechnologie, onderzoekers van de Universiteit van Wenen en de Johannes-Kepler-Universiteit Linz hebben kunstmatige vallen voor fluxons gebouwd. Door middel van deze vallen de fluxons worden in een vooraf gedefinieerde formatie gedwongen.

Het belang van het niet-evenwicht

Tot nu, de fluxons konden alleen worden waargenomen in een thermodynamisch evenwicht, d.w.z., in een uniforme opstelling. "Als we twee eieren op elkaar proberen te stapelen in een eierdoos en de aangrenzende kuil leeg laten, het ei zou snel naar een evenwichtstoestand rollen met precies één ei in elke put, " legt Wolfgang Lang van de Universiteit van Wenen uit. Vanuit het oogpunt van gegevensverwerking, echter, de volledig gevulde eierdoos bevat weinig informatie en is daarom nutteloos. Het zou veel handiger zijn om de eieren in een vooraf bepaald patroon te plaatsen. Op zo'n manier, bijvoorbeeld, QR-codes die door smartphones worden herkend, kunnen worden gerealiseerd in een eierdoos - uiteraard een grote hoeveelheid informatie.

Op nanoschaal is de onderzoekers hebben nu een grote stap gezet door voor het eerst een stabiele niet-evenwichtstoestand van fluxons aan te tonen in een array van meer dan 180, 000 kunstmatige vallen. Afhankelijk van het externe magnetische veld, de fluxons rangschikken zich in terrasvormige zones waarin elke val ofwel geen fluxon vangt, precies één, of meerdere fluxen. "Zelfs na een periode van dagen, we hebben precies dezelfde rangschikking van fluxons waargenomen - een stabiliteit op lange termijn die nogal verrassend is voor een kwantumsysteem, " zegt Georg Zechner van de Universiteit van Wenen, de hoofdauteur van de studie.

Nanopatronen van supergeleiders door ionenbundels

"Gemaskeerde bestraling met ionenbundels maakt de fabricage van nanostructuren in supergeleiders in een enkele stap mogelijk. Het kan tijdbesparend worden toegepast op grote gebieden, kan worden opgevoerd tot industriële schaal en vereist geen chemische processen, " zegt Johannes D. Pedarnig van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de Johannes-Kepler-Universiteit Linz. Afhankelijk van het gebruikte masker, vrijwel elke gewenste structuur kan in de supergeleider worden gepatroneerd. De wetenschappers plannen nu verdere experimenten met meer geavanceerde nanostructuren, die de systematische overdracht van fluxons van de ene val naar de andere zou moeten aantonen. Dit zou weer een baanbrekende stap kunnen zijn in de ontwikkeling van snelle computerschakelingen op basis van fluxons.