I ricercatori del MIT stanno sviluppando un nanofilo superconduttore, che potrebbe consentire un'elettronica superconduttiva più efficiente. Credito:Christine Daniloff, MIT
I superconduttori, materiali che conducono elettricità senza resistenza, sono notevoli. Forniscono uno sguardo macroscopico sui fenomeni quantistici, che di solito sono osservabili solo a livello atomico. Al di là della loro particolarità fisica, utili anche i superconduttori. Si trovano nell'imaging medico, computer quantistici, e fotocamere utilizzate con i telescopi.
Ma i dispositivi superconduttori possono essere pignoli. Spesso, sono costosi da produrre e soggetti a errori a causa del rumore ambientale. che potrebbe cambiare, grazie alla ricerca del gruppo di Karl Berggren nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica.
I ricercatori stanno sviluppando un nanofilo superconduttore, che potrebbe consentire un'elettronica superconduttiva più efficiente. I potenziali benefici del nanofilo derivano dalla sua semplicità, dice Berggren. "Alla fine del giorno, è solo un filo."
Berggren presenterà una sintesi della ricerca alla conferenza sui circuiti a stato solido IEEE di questo mese.
La resistenza è inutile
La maggior parte dei metalli perde resistenza e diventa superconduttore a temperature estremamente basse, di solito solo pochi gradi sopra lo zero assoluto. Sono usati per rilevare i campi magnetici, soprattutto in situazioni altamente sensibili come il monitoraggio dell'attività cerebrale. Hanno anche applicazioni nell'informatica quantistica e classica.
Alla base di molti di questi superconduttori c'è un dispositivo inventato negli anni '60 chiamato giunzione Josephson, essenzialmente due superconduttori separati da un sottile isolante. "Questo è ciò che ha portato all'elettronica superconduttiva convenzionale, e infine al computer quantistico superconduttore, "dice Berggren.
Però, la giunzione Josephson "è fondamentalmente un oggetto piuttosto delicato, " aggiunge Berggren. Ciò si traduce direttamente in costi e complessità di produzione, soprattutto per il sottile isolante successivo. Anche i superconduttori Josephson basati sulla giunzione potrebbero non funzionare bene con gli altri:"Se provi a interfacciarlo con l'elettronica convenzionale, come i tipi nei nostri telefoni o computer, il rumore di quelle paludi appena all'incrocio di Josephson. Così, questa mancanza di capacità di controllare oggetti su larga scala è un vero svantaggio quando si cerca di interagire con il mondo esterno".
Per superare questi svantaggi, Berggren sta sviluppando una nuova tecnologia, il nanofilo superconduttore, con radici più antiche della stessa giunzione Josephson.
Riavvio del criotrone
Nel 1956, L'ingegnere elettrico del MIT Dudley Buck ha pubblicato una descrizione di un interruttore per computer superconduttore chiamato criotrone. Il dispositivo era poco più di due fili superconduttori:uno era dritto, e l'altro era avvolto intorno ad esso. Il criotrone funge da interruttore, perché quando la corrente scorre attraverso il filo avvolto, il suo campo magnetico riduce la corrente che scorre attraverso il filo dritto.
Al tempo, il criotrone era molto più piccolo di altri tipi di interruttori di calcolo, come tubi a vuoto o transistor, e Buck pensava che il criotrone potesse diventare l'elemento costitutivo dei computer. Ma nel 1959, Buck è morto improvvisamente all'età di 32 anni, fermare lo sviluppo del criotrone. (Da allora, i transistor sono stati scalati a dimensioni microscopiche e oggi costituiscono i componenti logici fondamentali dei computer.)
Ora, Berggren sta riaccendendo le idee di Buck sugli interruttori dei computer superconduttori. "I dispositivi che stiamo realizzando sono molto simili ai criotroni in quanto non richiedono giunzioni Josephson, ", dice. Ha soprannominato il suo dispositivo a nanofili superconduttori il nano-criotrone in omaggio a Buck, anche se funziona in modo leggermente diverso rispetto al criotrone originale.
Il nanocriotrone utilizza il calore per attivare un interruttore, piuttosto che un campo magnetico. Nel dispositivo di Berggren, la corrente attraversa un superconduttore, filo superraffreddato chiamato "canale". Quel canale è intersecato da un filo ancora più piccolo chiamato "choke", come un'autostrada a più corsie intersecata da una strada laterale. Quando la corrente viene inviata attraverso l'induttanza, la sua superconduttività si rompe e si riscalda. Una volta che il calore si è diffuso dallo starter al canale principale, fa sì che anche il canale principale perda il suo stato superconduttore.
Il gruppo di Berggren ha già dimostrato il proof-of-concept per l'uso del nano-criotrone come componente elettronico. Un ex studente di Berggren, Adam McCaughan, ha sviluppato un dispositivo che utilizza nano-criotroni per aggiungere cifre binarie. E Berggren ha utilizzato con successo i nanocriotroni come interfaccia tra dispositivi superconduttori e classici, elettronica basata su transistor.
Berggren afferma che il nanofilo superconduttore del suo gruppo potrebbe un giorno completare o forse competere con i dispositivi superconduttori basati sulla giunzione di Josephson. "I cavi sono relativamente facili da realizzare, quindi può avere alcuni vantaggi in termini di producibilità, " lui dice.
Pensa che un giorno il nanocriotrone potrebbe trovare una casa nei computer quantistici superconduttori e nell'elettronica superraffreddata per i telescopi. I cavi hanno una bassa dissipazione di potenza, quindi possono essere utili anche per applicazioni energivore, lui dice. "Probabilmente non sostituirà i transistor del tuo telefono, ma se potesse sostituire il transistor in una server farm o in un data center? Sarebbe un impatto enorme".
Al di là delle applicazioni specifiche, Berggren ha una visione ampia del suo lavoro sui nanofili superconduttori. "Stiamo facendo ricerche fondamentali, qui. Mentre siamo interessati alle applicazioni, siamo anche interessati a:quali sono i diversi modi di fare informatica? Come società, ci siamo davvero concentrati su semiconduttori e transistor. Ma vogliamo sapere cos'altro potrebbe esserci là fuori".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.