Supergeleiders zijn materialen die een toestand kunnen bereiken die bekend staat als supergeleiding, waarin materie geen elektrische weerstand heeft en de penetratie van magnetische velden niet toelaat. Bij lage temperaturen staan ​​deze materialen bekend als zeer effectieve thermische isolatoren en vanwege het zogenaamde nabijheidseffect kunnen ze ook de dichtheid van toestanden van nabijgelegen metalen of supergeleidende draden beïnvloeden.

Onderzoekers van Istituto Nanoscienze (CNR) en Scuola Normale Superiore in Italië hebben onlangs een transistor ontwikkeld die profiteert van deze specifieke kwaliteit van supergeleiders. Hun transistor, een thermische supergeleidende quantuminterferentie-nabijheidstransistor (T-SQUIPT) genoemd, werd geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Physics .

"Ons werk ligt in het kader van fase-coherente caloritronica die tot doel heeft apparaten voor te stellen en te realiseren die in staat zijn om de energieoverdracht in verschillende nanoschaal kwantumtechnologie-architecturen onder de knie te krijgen," vertelde Francesco Giazotto, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys. .org.

Het belangrijkste idee achter T-SQUIPT, de transistor die is ontwikkeld door Giazotto en zijn collega's, is om de thermische eigenschappen van een metaal of supergeleider af te stemmen door de spectrale kenmerken ervan te regelen, via het zogenaamde supergeleidende nabijheidseffect. In wezen maakt de transistor gebruik van de macroscopische supergeleidende kwantumfase om de dichtheid van toestanden in een metaal in de buurt van de supergeleider te regelen, waardoor de thermische transporteigenschappen worden gemoduleerd.

"T-SQUIPT werd enkele jaren geleden voor het eerst theoretisch voorgesteld door enkele van de auteurs van ons recente artikel, hoewel nog geen concreet besef", zei Giazotto. "Onze implementatie van de T-SQUIPT maakt gebruik van een lange supergeleidende nanodraad als nabij element, waardoor we de mogelijkheid kunnen demonstreren om de thermische transporteigenschappen van een supergeleider in fasen af ​​te stemmen en ook de eerste thermische geheugencel te realiseren."

Van normale metalen is bekend dat ze goede geleiders zijn van zowel elektriciteit als warmte, omdat ze in staat zijn om elektronen in hun kristallen warmte en lading over te dragen. Daarentegen, terwijl supergeleiders goede elektrische geleiders zijn (d.w.z. nul weerstand vertonen), zijn het slechte thermische geleiders, aangezien de belangrijkste "vrije dragers" in hun kristallen Cooper-paren zijn. Cooperparen zijn geladen elektronenparen die geen warmte kunnen overbrengen, omdat ze van nature geen dissipatie hebben.

"Het kernconcept van T-SQUIPT is een nanoscopisch eiland van aluminium (Al) dat supergeleidend of normaal metaalachtig kan worden gemaakt met kwantuminterferentie veroorzaakt door twee supergeleidende draden die een ring definiëren en in goed metaalcontact met het eiland worden geplaatst," Giazotto uitgelegd.

"Voor gehele waarden van het fluxquantum dat de supergeleidende lus doorboort, wordt supergeleiding versterkt en gedraagt ​​​​het eiland zich als een goede thermische isolator. Voor semi-integer-waarden van het fluxquantum wordt supergeleiding idealiter onderdrukt en gedraagt ​​​​het eiland zich als een goede thermische geleider ."

Dit unieke ontwerp, voor het eerst geïntroduceerd door de onderzoekers in een paper gepubliceerd in 2014, stelt hen in staat om supergeleiding in hun transistor naar believen te onderdrukken of te versterken, simpelweg door een extern magnetisch veld aan te leggen. Hierdoor kan de thermische geleidbaarheid van het aluminium eiland in de transistor volledig worden gemanipuleerd, waardoor het een zogenaamde thermische klep is.

Als onderdeel van hun recente onderzoek demonstreerden Giazotto en hun collega's dit vermogen van hun transistor door warmte van een metalen elektrode erin te laten zinken, die ook via een tunnelcontact aan het aluminium eiland was gekoppeld. Over het algemeen tonen hun bevindingen de haalbaarheid aan van het fasecoherent manipuleren van de energietransportkwaliteiten van kwantumapparaten.

"T-SQUIPT opent de weg naar de realisatie van structuren waarbij de controle van het warmtetransport het mogelijk maakt om de thermische tegenhangers van elektronische apparaten voor te stellen en te realiseren, zoals thermische transistors, geheugens, logische poorten en thermo-elektrische motoren", zei Giazotto. "Vanuit een fundamenteel oogpunt demonstreert onze methode ook de mogelijkheid om ladingsloze kwantummodi te onderzoeken in solid-state systemen, zoals Majorana-gebonden toestanden en parafermionen, die niet konden worden gedetecteerd door conventionele technieken voor ladingstransport."

In de toekomst kan de T-SQUIPT-transistor de weg vrijmaken voor de realisatie van een verscheidenheid aan nieuwe apparaten. Het recente artikel verbetert ook het huidige begrip van energieoverdracht op nanoschaal, waardoor mogelijk het beheer ervan wordt verbeterd.

In de toekomst zou het recente werk van Giazotto en zijn collega's kunnen inspireren tot nieuwe studies die de kwantumthermodynamische eigenschappen in supergeleidende nanosystemen onderzoeken. In hun volgende onderzoeken zal het team van Istituto Nanoscienze (CNR) en Scuola Normale Superiore proberen de prestaties van T-SQUIPT te verbeteren, door het ontwerp van de thermische klep te verbeteren en door supergeleidende materialen te gebruiken die het gebruik bij temperaturen van enkele Kelvin graden.

"We zijn ook van plan om de tijdrespons van de geheugencel te bestuderen om de schrijf-/wistijd en het vermogen om de gecodeerde gegevens gedurende meerdere dagen te bewaren, te onderzoeken", voegde Giazotto eraan toe. "Dit zou de volgende cruciale stap zijn voor een praktische implementatie van thermische computer- en geheugenlogica-architecturen." + Verder verkennen

Quantum thermische transistor kan warmtestromen regelen

© 2022 Science X Network