Supergeleiders - materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand - zijn opmerkelijk. Ze bieden een macroscopische blik in kwantumverschijnselen, die meestal alleen op atomair niveau waarneembaar zijn. Naast hun fysieke eigenaardigheid, supergeleiders zijn ook nuttig. Ze worden gevonden in medische beeldvorming, kwantumcomputers, en camera's die met telescopen worden gebruikt.

Maar supergeleidende apparaten kunnen kieskeurig zijn. Vaak, ze zijn duur om te produceren en vatbaar voor fouten door omgevingslawaai. Dat zou kunnen veranderen, dankzij onderzoek van de groep van Karl Berggren van de afdeling Elektrotechniek en Informatica.

De onderzoekers ontwikkelen een supergeleidende nanodraad, die efficiëntere supergeleidende elektronica mogelijk zou kunnen maken. De potentiële voordelen van de nanodraad vloeien voort uit zijn eenvoud, zegt Berggren. "Aan het einde van de dag, het is maar een draad."

Berggren zal deze maand een samenvatting van het onderzoek presenteren op de IEEE Solid-state Circuits Conference.

Verzet is zinloos

De meeste metalen verliezen weerstand en worden supergeleidend bij extreem lage temperaturen, meestal slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Ze worden gebruikt om magnetische velden waar te nemen, vooral in zeer gevoelige situaties zoals het monitoren van hersenactiviteit. Ze hebben ook toepassingen in zowel kwantum als klassieke informatica.

Aan de basis van veel van deze supergeleiders ligt een apparaat dat in de jaren zestig is uitgevonden, de Josephson-junctie genaamd - in wezen twee supergeleiders gescheiden door een dunne isolator. "Dat heeft geleid tot conventionele supergeleidende elektronica, en dan uiteindelijk naar de supergeleidende kwantumcomputer, ', zegt Berggren.

Echter, het Josephson-knooppunt "is in wezen een vrij delicaat object, " voegt Berggren toe. Dat vertaalt zich direct in kosten en complexiteit van de productie, vooral voor de dunne isolatie later. Op juncties gebaseerde supergeleiders van Josephson spelen misschien ook niet goed met anderen:"Als je probeert om het te koppelen aan conventionele elektronica, zoals de soorten in onze telefoons of computers, het lawaai van de moerassen van het Josephson-knooppunt. Dus, dit gebrek aan vermogen om grotere objecten te besturen is een echt nadeel wanneer je probeert te communiceren met de buitenwereld."

Om deze nadelen te overwinnen, Berggren ontwikkelt een nieuwe technologie - de supergeleidende nanodraad - met wortels die ouder zijn dan de Josephson-junctie zelf.

Cryotron opnieuw opstarten

1956, MIT elektrotechnisch ingenieur Dudley Buck publiceerde een beschrijving van een supergeleidende computerschakelaar genaamd de cryotron. Het apparaat was niet meer dan twee supergeleidende draden:één was recht, en de andere was er omheen gewikkeld. De cryotron werkt als een schakelaar, omdat wanneer stroom door de opgerolde draad vloeit, het magnetische veld vermindert de stroom die door de rechte draad vloeit.

Destijds, de cryotron was veel kleiner dan andere typen computerschakelaars, zoals vacuümbuizen of transistors, en Buck dacht dat de cryotron de bouwsteen van computers zou kunnen worden. Maar in 1959, Buck stierf plotseling op 32-jarige leeftijd, het stoppen van de ontwikkeling van de cryotron. (Vanaf dat moment, transistors zijn geschaald tot microscopisch kleine afmetingen en vormen tegenwoordig de logische kerncomponenten van computers.)

Nutsvoorzieningen, Berggren blaast Bucks ideeën over supergeleidende computerschakelaars nieuw leven in. "De apparaten die we maken lijken erg op cryotrons omdat ze geen Josephson-juncties nodig hebben, "zegt hij. Hij noemde zijn supergeleidende nanodraadapparaat de nano-cryotron als eerbetoon aan Buck, hoewel het een beetje anders werkt dan de originele cryotron.

De nano-cryotron gebruikt warmte om een ​​schakelaar te activeren, in plaats van een magnetisch veld. In het apparaat van Berggren, stroom loopt door een supergeleidende, onderkoelde draad genaamd het "kanaal". Dat kanaal wordt doorsneden door een nog kleinere draad die een "choke" wordt genoemd, zoals een snelweg met meerdere rijstroken die wordt doorsneden door een zijweg. Wanneer stroom door de smoorspoel wordt gestuurd, zijn supergeleiding breekt af en het warmt op. Zodra die warmte zich van de choke naar het hoofdkanaal verspreidt, het zorgt ervoor dat het hoofdkanaal ook zijn supergeleidende toestand verliest.

De groep van Berggren heeft al proof-of-concept aangetoond voor het gebruik van de nano-cryotron als elektronische component. Een voormalige leerling van Berggren, Adam McCaughan, ontwikkelde een apparaat dat nano-cryotrons gebruikt om binaire cijfers toe te voegen. En Berggren heeft met succes nano-cryotrons gebruikt als interface tussen supergeleidende apparaten en klassieke, op transistoren gebaseerde elektronica.

Berggren zegt dat de supergeleidende nanodraad van zijn groep op een dag een aanvulling zou kunnen zijn op - of misschien zelfs zou kunnen concurreren met - op juncties gebaseerde supergeleidende apparaten van Josephson. "Draden zijn relatief eenvoudig te maken, dus het kan enkele voordelen hebben in termen van produceerbaarheid, " hij zegt.

Hij denkt dat de nano-cryotron ooit een plek kan vinden in supergeleidende kwantumcomputers en onderkoelde elektronica voor telescopen. Draden hebben een lage vermogensdissipatie, dus ze kunnen ook handig zijn voor energieverslindende toepassingen, hij zegt. "Het zal waarschijnlijk niet de transistors in je telefoon vervangen, maar of het de transistor in een serverfarm of datacenter zou kunnen vervangen? Dat zou een enorme impact hebben."

Naast specifieke toepassingen, Berggren heeft een brede kijk op zijn werk aan supergeleidende nanodraden. "We doen fundamenteel onderzoek, hier. Hoewel we geïnteresseerd zijn in toepassingen, we zijn gewoon ook geïnteresseerd in:wat zijn enkele verschillende manieren om te computeren? Als samenleving, we hebben ons echt gericht op halfgeleiders en transistors. Maar we willen weten wat er nog meer is."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.