电阻是无用的:纳米线可以提供稳定、易于制造的超导晶体管

超导纳米线

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。资料来源:Christine Daniloff,麻省理工学院

灵感来源于几十年麻省理工学院这项新技术可以促进量子计算机和其他超导电子产品的发展。

超导体——一种无电阻导电的材料——是很了不起的。它们提供了对量子现象的宏观一瞥,而这些现象通常只能在原子水平上观察到。超导体除了物理特性外,也很有用。它们存在于医学成像、量子计算机和望远镜相机中。

但是超导设备可能很挑剔。通常,它们的制造成本很高,而且容易因环境噪音而出错。多亏了卡尔·伯格伦(Karl Berggren)电气工程与计算机科学系研究小组的研究,这种情况可能会改变。

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。”

伯格伦将在这个月的IEEE固态电路会议上介绍这项研究的总结。

抵抗是徒劳的

大多数金属在极低的温度(通常仅高出几度)下会失去电阻并变成超导绝对零度。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。

在这些超导体中,有许多是在20世纪60年代发明的一种叫做约瑟夫森结的装置——本质上是两个由薄绝缘体隔开的超导体。伯格伦说:“这导致了传统超导电子学的发展,并最终发展到了超导量子计算机。”

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,伯格伦正在开发一种新技术——超导纳米线——其根比约瑟夫森结本身还要古老。

冷子管重新启动

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岁的巴克突然去世,使低温加速器的发展戛然而止。(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。

纳米低温加速器使用热量触发开关,而不是磁场。在伯格伦的装置中,电流通过一根被称为“通道”的超导过冷导线。这个通道被一种更小的被称为“阻塞”的电线交叉——就像一条多车道的高速公路被一条小路交叉。当电流通过扼流圈时,它的超导性就会被破坏,并被加热。一旦热量从阻流器传播到主通道,就会导致主通道也失去超导状态。

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。”

他认为纳米低温加速器有一天会在超导量子计算机和用于望远镜的过冷电子器件中找到一席之地。他说,电线的功耗很低,所以它们可能也很适合耗能的应用。“它可能不会取代你手机中的晶体管,但如果它能取代服务器场或数据中心中的晶体管呢?”这将产生巨大的影响。”

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。”

伯格伦实验室的纳米低温加速器研究的初始资金由美国国家科学基金会提供。

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