Supergeleiders zijn materialen die in een toestand van geen elektrische weerstand kunnen komen, waardoor magnetische velden niet kunnen doordringen. Vanwege hun interessante eigenschappen hebben veel materiaalwetenschappers en ingenieurs het potentieel van deze materialen voor een breed scala aan elektronische toepassingen onderzocht.

Een belangrijk voordeel van supergeleiders is dat ze elektrische signalen kunnen transporteren en tegelijkertijd hun dissipatie kunnen voorkomen, wat vooral handig is bij het ontwikkelen van kwantumcomputers. Het beheersen van hun toestanden, zoals gewoonlijk wordt gedaan met halfgeleidertechnologie, is tot nu toe een uitdaging gebleken.

Een paar jaar geleden suggereerde een onderzoek dat de supergeleiding van supergeleidende materialen kan worden in- en uitgeschakeld. Onderzoekers van IBM Research in Zürich hebben deze resultaten verder onderzocht, in de hoop het schakelmechanisme te verklaren dat door deze eerdere studie werd onthuld. Hun bevindingen werden onlangs uiteengezet in een paper gepubliceerd in Nature Electronics .

"Supergeleiders zijn in de eerste plaats metalen en metalen schermen externe elektrische velden zeer effectief af", vertelden Andreas Fuhrer en Fabrizio Nichele, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, aan Phys.org. "Dit fundamentele concept, te vinden in alle natuurkundeboeken, werd in twijfel getrokken door een publicatie uit 2018. In dat werk beweerden de auteurs de supergeleiding in een titanium nanodraad te hebben in- en uitgeschakeld via gematigde elektrische velden die werden aangelegd door een nabijgelegen poortelektrode. "

Indien bevestigd, zouden de bevindingen die in 2018 door NEST en SPIN-CNR in Italië zijn verzameld, de ontwikkeling mogelijk maken van geheel nieuwe soorten elektronische en kwantumcomputerapparatuur op basis van supergeleiders. Een paar jaar geleden wilden ze daarom het microscopische, fysieke mechanisme onthullen dat optreedt in supergeleiders van nanometerformaat wanneer elektrische velden aanwezig zijn.

In een eerste paper dat in 2021 werd gepubliceerd, schetsten de onderzoekers enkele eerste hints over de mogelijke oorsprong van de waargenomen onderdrukte supergeleiding in titanium nanodraden. Hun nieuwe studie bouwt voort op dit artikel en biedt een meer gedetailleerde verklaring voor de bevindingen die zijn verzameld door het team van NEST en SPIN-CNR.

"Ons eerdere werk toonde aan dat de onderdrukking van supergeleiding altijd hand in hand ging met kleine lekstromen die van de poortelektrode naar de nanodraad vloeiden", legden Fuhrer en Nichele uit. "Dergelijke stromen waren erg klein (een paar pA of 0.000.000.000.001 Ampere), zodat ze in eerder werk onopgemerkt zouden zijn gebleven. Voor ons was het redelijk om aan te nemen dat een dergelijke stroom verantwoordelijk zou zijn voor het verstoren van de supergeleiding, omdat de energie van elk elektron dat door de stroom werd gedragen, was vrij groot (ongeveer 100.000 groter dan de bindingsenergie die de elektronen in een metaal in supergeleidende toestand houdt)."

Hoewel hun eerdere onderzoek Fuhrer, Nichele en hun collega's in staat stelde een idee te krijgen van het mogelijke mechanisme dat ten grondslag ligt aan de waargenomen onderdrukking van supergeleiding, ontbrak het nog steeds aan een aantal belangrijke ingrediënten. Het belangrijkste doel van hun recente paper was om een ​​solide en bevredigende verklaring voor het fenomeen te bieden.

"Onze nieuwe experimenten zijn volledig consistent met ons eerste werk, in die zin dat we opnieuw laten zien dat stromen die uit de poorten lekken (geen elektrische velden) nodig zijn om supergeleiding in metalen nanodraden te onderdrukken", aldus Fuhrer en Nichele. "Maar we hebben nu ook laten zien dat de stroom niet per se van de gate naar de nanodraad hoeft te vloeien."

De onderzoekers bereikten vergelijkbare resultaten wanneer de stroom van hoogenergetische elektronen uit de draad stroomde en wanneer deze stroomde tussen twee elektroden die in de buurt van de nanodraad waren geplaatst (zonder dat elektronen de nanodraad zelf bereikten). Deze resultaten benadrukken de cruciale rol van het substraat van het materiaal bij de onderdrukking van supergeleiding.

De apparaten die de onderzoekers in hun experimenten gebruikten, zijn gebaseerd op een kristallijn siliciumwafeltje. Dit is het substraat waar de stromen van hoogenergetische elektronen vloeien wanneer hoge spanningen tussen elektroden worden toegepast.

"Terwijl elektronen, versneld tot hoge energie door de grote spanningen, in het silicium bewegen, schoppen ze continu siliciumatomen, waarbij hun energie wordt overgedragen aan trillingen in het kristalrooster (wat natuurkundigen 'fonons' noemen), " legden Fuhrer en Nichele uit. "Anders dan elektronen leggen fononen zeer lange afstanden af ​​in het siliciumrooster (enkele micrometers) en kunnen ze gemakkelijk de supergeleidende toestand in de metalen nanodraad verstoren."

Het recente werk van Fuhrer, Nichele en hun collega's laat zien dat fononen, in tegenstelling tot fotonen, als mediatoren fungeren. Op basis van deze bevinding creëerde het team een ​​schakelapparaat dat bestaat uit een diepe greppel die in een siliciumsubstraat is geëtst.

"De greppel weerspiegelt de fononen die aan één kant worden gegenereerd en schermt de nanodraad af, die langer in de supergeleidende toestand blijft", aldus Fuhrer en Nichele. "Trillingen zijn altijd aanwezig in een kristal, hoe hoger de temperatuur, hoe meer het kristal trilt. De fononen die we in onze apparaten produceren, hebben echter totaal andere energieën dan die die het gevolg zijn van een temperatuurstijging."

Toen de onderzoekers hun experimenten uitvoerden bij temperaturen onder de 4 Kelvin, ontdekten ze dat de geproduceerde fotonen een temperatuur hadden van meer dan 100 Kelvin. Deze bevinding verklaart waarom schakelapparaten zoals degene die ze hebben ontwikkeld, zeer lage stroomvereisten hebben in vergelijking met meer conventionele schakelaars.

Over het algemeen biedt het recente werk van Fuhrer, Nichele en hun collega's bij IBM Research een coherente en overtuigende verklaring voor de experimentele resultaten die in 2018 door het team van NEST en SPIN-CNR zijn gepubliceerd en die voorheen onverklaard waren. In de toekomst kan hun uitleg helpen om supergeleiders verder te begrijpen, waardoor ze mogelijk kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van nieuwe soorten apparaten.

"Onze studie draagt ​​ook bij aan een nieuwe generatie supergeleidende apparaten waarbij een metalen element op een zeer snelle en energiezuinige manier kan worden omgeschakeld van supergeleidend naar resistief", aldus Fuhrer en Nichele. "Dit kan onmiddellijke toepassing vinden op het gebied van kwantumberekening, bijvoorbeeld op het gebied van de besturingselektronica die kwantumbits koppelt aan klassieke computers."

In hun paper introduceerden Fuhrer, Nichele en hun collega's ook een benadering om on-demand hoogenergetische elektronen en fononen te genereren. Het is bekend dat hoogenergetische deeltjes, zoals kosmische straling die vanuit de ruimte op de aarde inslaan, een negatieve invloed hebben op het functioneren van kwantumcomputers. In de toekomst zou hun aanpak daarom ook kunnen worden gebruikt om de effecten van hoogenergetische excitaties op kwantumtechnologie verder te bestuderen.

"Onze hoofdactiviteit is de realisatie van kwantumbits", voegde hij eraan toe. "In onze volgende papers willen we ons schakelelement combineren met een qubit en onderzoeken hoe dicht de schakelaar kan worden geplaatst, zodat nieuwe functionaliteiten worden geïntroduceerd zonder de nadelen van fononen." + Verder verkennen

Wetenschappers ontdekken kwantumfaseovergang in onder druk staande cupraatsupergeleiders

© 2022 Science X Network