Dispositivo di memoria superconduttore su nanoscala. L'informazione binaria è codificata nella direzione della corrente elettrica nel circuito. Quando la corrente scorre in senso orario, questo è considerato uno stato '0' del dispositivo di memoria. Quando scorre in senso antiorario, questo è uno stato '1' del dispositivo di memoria. Poiché gli elettroni sono superconduttori, la corrente scorre indefinitamente nelle spire, rendendo la memoria non volatile. (a) Una fotografia del dispositivo di memoria, costituito da una striscia superconduttiva di Mo75Ge25 (giallo) con una coppia di nanofili superconduttori che formano un anello chiuso (anch'esso giallo):la larghezza dei nanofili è di 24 nm e 22 nm, come segnato. (b) La corrente critica, cioè., la corrente massima che può essere iniettata nel dispositivo senza distruggere la superconduttività, è tracciato in funzione del campo magnetico. Per impostare lo stato di memoria '0', applichiamo una corrente positiva mirando al diamante ombreggiato. Per impostare la memoria allo stato '1', viene applicata una corrente negativa (come lo stesso campo magnetico esterno). Per leggere lo stato della memoria, la corrente viene portata a un valore più alto, come mostrato dal rombo rosso, e viene misurato il valore di corrente al quale si verifica la tensione. Tale valore è la corrente critica. La sua distribuzione statistica è mostrata in (c). Il valore misurato della corrente critica dipende dal valore di memoria preimpostato, '0' o '1'. Quindi misurando la corrente critica siamo in grado di determinare lo stato della cella di memoria. Credito:. Alexey Bezryadin e Andrew Murphey, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
Lo sviluppo di un computer superconduttore in grado di eseguire calcoli ad alta velocità senza dissipazione del calore è stato l'obiettivo di numerose iniziative di ricerca e sviluppo sin dagli anni '50. Un computer del genere richiederebbe una frazione dell'energia consumata dagli attuali supercomputer, e sarebbe molte volte più veloce e più potente. Nonostante i promettenti progressi in questa direzione negli ultimi 65 anni, rimangono ostacoli sostanziali, anche nello sviluppo di memorie miniaturizzate a bassa dissipazione.
I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato una nuova cella di memoria su nanoscala che offre enormi promesse per l'integrazione di successo con i processori superconduttori. La nuova tecnologia, creato dal professore di fisica Alexey Bezryadin e dallo studente laureato Andrew Murphy, in collaborazione con Dmitri Averin, un professore di fisica teorica presso la State University di New York a Stony Brook, fornisce memoria stabile di dimensioni inferiori rispetto ad altri dispositivi di memoria proposti.
Il dispositivo comprende due nanofili superconduttori, attaccato a due elettrodi distanziati irregolarmente che sono stati "scritti" utilizzando la litografia a fascio di elettroni. I nanofili e gli elettrodi formano un asimmetrico, circuito superconduttore chiuso, chiamato un nanofilo "SQUID" (dispositivo di interferenza quantistica superconduttore). La direzione della corrente che scorre attraverso il circuito, in senso orario o antiorario, equivale allo "0" o "1" del codice binario.
Lo stato della memoria viene scritto applicando una corrente oscillante di una particolare grandezza, ad uno specifico campo magnetico. Per leggere lo stato della memoria, gli scienziati aumentano la corrente e rilevano il valore corrente al quale la superconduttività viene distrutta. Si scopre che tale distruzione o corrente critica è diversa per i due stati di memoria, "0" o "1". Gli scienziati hanno testato la stabilità della memoria, ritardare la lettura dello stato, e non ha trovato istanze di perdita di memoria. Il team ha eseguito questi esperimenti su due SQUIDS a nanofili, costituito dal superconduttore Mo75Ge25, utilizzando un metodo chiamato modellazione molecolare. I risultati sono pubblicati il 13 giugno 2017 Nuovo Giornale di Fisica .
Bezryadin commenta, "Questo è molto eccitante. Tali celle di memoria superconduttrici possono essere ridimensionate fino a un intervallo di poche decine di nanometri, e non sono soggetti agli stessi problemi di prestazioni delle altre soluzioni proposte."
Murphy aggiunge, "Altri sforzi per creare una cella di memoria superconduttiva ridotta non sono stati in grado di raggiungere la scala che abbiamo. Un dispositivo di memoria superconduttore deve essere più economico da produrre rispetto alla memoria standard ora, e deve essere denso, piccolo, e veloce."
Fino ad ora, i più promettenti dispositivi di memoria di supercalcolo, chiamati dispositivi "quanta a flusso singolo", si basano su circuiti manipolatori composti da giunzioni Josephson ed elementi induttivi. Questi sono nella gamma dei micrometri, e la miniaturizzazione di questi dispositivi è limitata dalle dimensioni delle giunzioni Josephson e dalle loro induttanze geometriche. Alcuni di questi richiedono anche barriere ferromagnetiche per codificare le informazioni, dove il dispositivo di Bezryadin e Murphy non richiede componenti ferromagnetici ed elimina la diafonia del campo magnetico.
"Poiché l'induttanza cinetica aumenta con la diminuzione delle dimensioni della sezione trasversale del filo, gli elementi di memoria SQUID a nanofili potrebbero essere ulteriormente ridotti, nell'intervallo di decine di nanometri, "Bezryadin continua.
I ricercatori sostengono che questo dispositivo può funzionare con una dissipazione di energia molto bassa, se le energie di due stati binari sono uguali o quasi uguali. Il modello teorico per tali operazioni è stato sviluppato in collaborazione con Averin. La commutazione tra gli stati di uguale energia sarà ottenuta mediante tunneling quantistico o mediante processi adiabatici composti da salti multipli tra gli stati.
Nel lavoro futuro, Bezryadin prevede di affrontare le misurazioni del tempo di commutazione e di studiare array più grandi di calamari a nanofili che funzionano come array di elementi di memoria. Testeranno anche superconduttori con temperature critiche più elevate, con l'obiettivo di un circuito di memoria che funzioni a 4 Kelvin. Operazioni rapide saranno ottenute utilizzando impulsi a microonde.
