电气

纳米线可以提供稳定的超导晶体管

cryoyton是一种超导晶体管,灵感来自麻省理工学院几十年前的研究,它可以促进量子计算机和其他超导电子产品的发展。

由Daniel Ackerman. 2021年2月11日
麻省理工学院的研究人员正在开发一种超导纳米线,它可以实现更高效的超导电子。Courtesy: Christine Daniloff,麻省理工学院

超导体 - 导电没有阻力的材料 - 是显着的。它们提供了宏观瞥见进入量子现象,其通常仅在原子水平处可观察到。超出其物理特性,超导体也很有用。它们在医学成像,量子计算机和与望远镜一起使用的相机中找到。

但超导装置可以是Finichy。通常,它们的制造和容易从环境噪音中易受昂贵。由于在电气工程系和计算机科学系Karl Berggren集团的研究,这可能会改变。

研究人员正在开发一种超导纳米线,可以实现更高效的超导电子。伯格伦说,纳米线的潜在好处来自它的简单性。“说到底,它只是一根电线。”

抵抗是徒劳的

大多数金属在极低的温度(通常仅比绝对零度高几度)下会失去电阻而变成超导。它们被用来感知磁场,特别是在高度敏感的情况下,比如监测大脑活动。它们也在量子计算和经典计算中都有应用。

这些超导体中的许多潜在的是在20世纪60年代中发明的设备,称为约瑟夫森结 - 基本上两个由薄绝缘体分开的超导体。“这就是导致传统超导电子器件的原因,然后最终到超导量子计算机,”Berggren说。

然而,约瑟夫森结“本质上是一个相当微妙的物体,”伯格伦补充道。这直接转化为制造的成本和复杂性,特别是之后的薄绝缘。基于约瑟夫森结的超导体也可能不太适合与其他导体一起使用:“如果你试图将其与传统电子设备连接,比如我们的手机或电脑,来自这些设备的噪音会淹没约瑟夫森结。所以,当你试图与外界互动时,缺乏控制大型物体的能力是一个真正的劣势。”

为了克服这些缺点,Berggren正在开发一种新技术 - 超导纳米线 - 基根比约瑟夫森交汇处较大。

Cryotron重新启动

1956年,麻省理工学院的电气工程师达德利·巴克发表了一篇关于超导计算机开关——低温加速器的文章。这个装置比两根超导导线大不了多少:一根是直的,另一根是绕在上面的。低温加速器起着开关的作用,因为当电流流过线圈时,它的磁场会减少流过直线的电流。

当时,低温管比其他类型的计算开关(如真空管或晶体管)要小得多,巴克认为低温管可以成为计算机的基石。但1959年,32岁的巴克去世了,从而阻止了低温加速器的发展。(从那时起,晶体管被放大到极小的尺寸,如今已成为计算机的核心逻辑部件。)

现在,伯格伦重新点燃了巴克关于超导计算机开关的想法。他说:“我们正在制造的设备与低温加速器非常相似,因为它们不需要约瑟夫森结。”他将他的超导纳米线装置命名为纳米低温管,以向巴克致敬——尽管它的工作原理与最初的低温管略有不同。

纳米冷冻龙使用热量触发开关,而不是磁场。在Berggren的装置中,电流通过称为“通道”的超导,过冷线运行。该频道由称为“扼流圈”的甚至更小的电线相交 - 就像由侧面道路相交的多百万高速公路。当电流通过扼流圈发送时,其超导性突破并加热。一旦热量从扼流到主通道扩展,它会导致主通道也失去其超导状态。

伯格伦的团队已经演示了纳米低温加速器作为电子元件的概念验证。伯格伦以前的学生亚当·麦考恩(Adam McCaughan)开发了一种使用纳米低温电子来添加二进制数字的设备。伯格伦成功地利用纳米低温电子作为超导器件和基于晶体管的经典电子器件之间的接口。

伯格伦说,他的团队的超导纳米线有一天可能会补充——或者可能与约瑟夫森结超导装置竞争。他说:“电线相对容易制造,因此在可制造性方面可能有一些优势。”

他认为纳米冷冻龙可以在一天内找到一个超导量子计算机和用于望远镜的过冷电子产品的家。他说,电线功耗低,所以它们也可能派上能源饥饿的应用程序。“这可能不会将晶体管替换在手机中,但如果它可以将晶体管替换在服务器场或数据中心中?这将是一个巨大的影响。“

除了具体的应用,伯格伦还对超导纳米线的研究进行了广泛的观察。“我们在这里做基础研究。我们对应用程序感兴趣的同时,我们也感兴趣的是:有哪些不同的方式来进行计算?作为一个社会,我们真正关注的是半导体和晶体管。但我们想知道还有什么可能存在。”

-编辑克里斯瓦夫拉,网页内容管理器,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com


Daniel Ackerman.
作者生物:丹尼尔·阿克曼,麻省理工学院新闻办公室