Une nouvelle technologie pourrait booster les ordinateurs quantiques et autres composants électroniques supraconducteurs – Technoguide

Les supraconducteurs – des matériaux qui conduisent l’électricité sans résistance – sont remarquables. Ils offrent un aperçu macroscopique des phénomènes quantiques, qui ne sont généralement observables qu’au niveau atomique. Au-delà de leur particularité physique, les supraconducteurs sont également utiles. On les trouve dans l’imagerie médicale, les ordinateurs quantiques et les caméras utilisées avec les télescopes.

Mais les dispositifs supraconducteurs peuvent être capricieux. Souvent, ils sont coûteux à fabriquer et ont tendance à se tromper du bruit ambiant. Cela pourrait changer, grâce aux recherches du groupe de Karl Berggren au Département de génie électrique et d’informatique.

Les chercheurs développent un nanofil supraconducteur, qui pourrait permettre une électronique supraconductrice plus efficace. Les avantages potentiels du nanofil proviennent de sa simplicité, dit Berggren. “En fin de compte, c’est juste un fil.”

Berggren présentera un résumé de la recherche lors de la conférence IEEE Solid-state Circuits de ce mois-ci.

La résistance est futile

La plupart des métaux perdent leur résistance et deviennent supraconducteurs à des températures extrêmement basses, généralement à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Ils sont utilisés pour détecter les champs magnétiques, en particulier dans des situations très sensibles comme la surveillance de l’activité cérébrale. Ils ont également des applications en informatique quantique et classique.

À la base de bon nombre de ces supraconducteurs se trouve un dispositif inventé dans les années 1960 appelé la jonction Josephson – essentiellement deux supraconducteurs séparés par un isolant mince. «C’est ce qui a conduit à l’électronique supraconductrice conventionnelle, puis finalement à l’ordinateur quantique supraconducteur», déclare Berggren.

Cependant, la jonction Josephson “est fondamentalement un objet assez délicat”, ajoute Berggren. Cela se traduit directement par un coût et une complexité de fabrication, en particulier pour l’isolant fin plus tard. Les supraconducteurs basés sur la jonction Josephson peuvent également ne pas bien fonctionner avec les autres: “Si vous essayez de les interfacer avec des composants électroniques conventionnels, comme ceux de nos téléphones ou ordinateurs, le bruit de ceux-ci submerge la jonction Josephson. Donc, ce manque de capacité à contrôler des objets à plus grande échelle est un réel inconvénient lorsque vous essayez d’interagir avec le monde extérieur. “

Pour surmonter ces inconvénients, Berggren développe une nouvelle technologie – le nanofil supraconducteur – avec des racines plus anciennes que la jonction Josephson elle-même.

Redémarrage du Cryotron

En 1956, l’ingénieur électricien du MIT, Dudley Buck, a publié une description d’un commutateur informatique supraconducteur appelé cryotron. L’appareil était un peu plus de deux fils supraconducteurs: l’un était droit et l’autre était enroulé autour de lui. Le cryotron agit comme un interrupteur, car lorsque le courant passe à travers le fil enroulé, son champ magnétique réduit le courant circulant à travers le fil droit.

À l’époque, le cryotron était beaucoup plus petit que d’autres types d’interrupteurs informatiques, comme les tubes à vide ou les transistors, et Buck pensait que le cryotron pourrait devenir la pierre angulaire des ordinateurs. Mais en 1959, Buck mourut subitement à 32 ans, interrompant le développement du cryotron. (Depuis lors, les transistors ont été mis à l’échelle à des tailles microscopiques et constituent aujourd’hui les composants logiques de base des ordinateurs.)

Maintenant, Berggren ravive les idées de Buck sur les commutateurs informatiques supraconducteurs. «Les appareils que nous fabriquons ressemblent beaucoup à des cryotrons en ce sens qu’ils ne nécessitent pas de jonctions Josephson», dit-il. Il a surnommé son nanofil supraconducteur le nano-cryotron en hommage à Buck – bien qu’il fonctionne un peu différemment du cryotron d’origine.

Le nano-cryotron utilise la chaleur pour déclencher un interrupteur, plutôt qu’un champ magnétique. Dans le dispositif de Berggren, le courant traverse un fil supraconducteur et surfondu appelé le «canal». Ce canal est traversé par un fil encore plus petit appelé “étranglement” – comme une autoroute à plusieurs voies coupée par une route secondaire. Lorsque le courant est envoyé à travers le starter, sa supraconductivité se décompose et il chauffe. Une fois que la chaleur se propage du starter au canal principal, elle fait également perdre au canal principal son état supraconducteur.

Le groupe de Berggren a déjà démontré une preuve de concept pour l’utilisation du nano-cryotron comme composant électronique. Un ancien élève de Berggren, Adam McCaughan, a développé un appareil qui utilise des nano-cryotrons pour ajouter des chiffres binaires. Et Berggren a utilisé avec succès les nano-cryotrons comme interface entre les dispositifs supraconducteurs et l’électronique classique à transistors.

Berggren dit que le nanofil supraconducteur de son groupe pourrait un jour compléter – ou peut-être concurrencer – les dispositifs supraconducteurs à jonction Josephson. «Les fils sont relativement faciles à fabriquer, ils peuvent donc présenter certains avantages en termes de fabricabilité», dit-il.

Il pense que le nano-cryotron pourrait un jour trouver une place dans les ordinateurs quantiques supraconducteurs et l’électronique surfondue pour les télescopes. Les fils ont une faible dissipation de puissance, ils peuvent donc également être utiles pour les applications gourmandes en énergie, dit-il. “Il ne remplacera probablement pas les transistors de votre téléphone, mais s’il pouvait remplacer le transistor dans une ferme de serveurs ou un centre de données? Ce serait un impact énorme.”

Au-delà des applications spécifiques, Berggren a une vision large de ses travaux sur les nanofils supraconducteurs. «Nous faisons de la recherche fondamentale, ici. Bien que nous nous intéressions aux applications, nous nous intéressons simplement aussi à: Quelles sont les différentes manières de faire de l’informatique? En tant que société, nous nous sommes vraiment concentrés sur les semi-conducteurs et les transistors . Mais nous voulons savoir quoi d’autre pourrait être là-bas. “

Le financement initial de la recherche sur les nano-cryotrons dans le laboratoire de Berggren a été fourni par la National Science Foundation.

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