Создан сверхпроводящий квантово-интерференционный бесконтактный транзистор
Сверхпроводники — это материалы, которые могут достичь состояния, известного как сверхпроводимость, в котором материя не имеет электрического сопротивления и не допускает проникновения магнитных полей. Известно, что при низких температурах эти материалы являются высокоэффективными теплоизоляторами и благодаря так называемому эффекту близости могут также влиять на плотность состояний близлежащих металлических или сверхпроводящих проводов.
Исследователи из Istituto Nanoscienze (CNR) и Scuola Normale Superiore в Италии недавно разработали транзистор, в котором используются преимущества этого специфического качества сверхпроводников.
Их транзистор, получивший название теплового сверхпроводящего квантово-интерференционного бесконтактного транзистора (T-SQUIPT), был представлен в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.
«Наша работа находится в рамках фазово-когерентной калоритроники, целью которой является представление и реализация устройств, способных управлять передачей энергии в различных архитектурах наноразмерных квантовых технологий», — сказал Франческо Джазотто, один из авторов исследования.
Основная идея T-SQUIPT, транзистора, разработанного Джазотто и его коллегами, заключается в настройке тепловых свойств металла или сверхпроводника путем управления его спектральными характеристиками посредством так называемого сверхпроводящего эффекта близости.
По сути, транзистор использует макроскопическую сверхпроводящую квантовую фазу для управления плотностью состояний в металле вблизи сверхпроводника, тем самым модулируя его теплопроводящие свойства.
«T-SQUIPT был впервые теоретически предложен некоторыми авторами нашей недавней статьи несколько лет назад, хотя пока без конкретной реализации», — сказал Джазотто. «Наша реализация T-SQUIPT использует длинную сверхпроводящую нанопроволоку в качестве проксимизированного элемента, что позволяет нам продемонстрировать возможность фазовой настройки свойств теплопереноса сверхпроводника, а также реализовать первую ячейку с тепловой памятью».
Известно, что нормальные металлы являются хорошими проводниками как электричества, так и тепла, поскольку они способны позволить электронам, содержащимся в их кристаллах, передавать тепло и заряд.
Напротив, в то время как сверхпроводники являются хорошими электрическими проводниками (т. е. проявляющими нулевое сопротивление), они являются плохими проводниками тепла, так как основными «свободными носителями» в их кристаллах являются куперовские пары. Куперовские пары — это заряженные пары электронов, которые не могут передавать тепло, так как по своей природе не диссипативны.
Основная концепция T-SQUIPT — это наноскопический островок алюминия (Al), который можно сделать сверхпроводящим или похожим на обычный металл с квантовой интерференцией, индуцированной двумя сверхпроводящими выводами, образующими кольцо и помещенными в хороший металлический контакт с островом.
При целых значениях кванта потока, пронизывающего сверхпроводящую петлю, сверхпроводимость усиливается, и остров ведет себя как хороший теплоизолятор. При полуцелых значениях кванта потока сверхпроводимость идеально подавляется, и остров ведет себя как хороший теплопроводник.
Этот уникальный дизайн, впервые представленный исследователями в статье, опубликованной в 2014 году, позволяет им по желанию подавлять или усиливать сверхпроводимость в своем транзисторе, просто применяя внешнее магнитное поле. В результате теплопроводностью алюминиевого островка в транзисторе можно полностью управлять, превращая его в так называемый термоклапан.
В рамках своего недавнего исследования ученые продемонстрировали эту способность своего транзистора, направив в него тепло от металлического электрода, который также был соединен с алюминиевым островком через туннельный контакт. В целом, их результаты демонстрируют возможность фазово-когерентного управления свойствами передачи энергии квантовых устройств.
«T-SQUIPT открывает путь к реализации структур, в которых управление переносом тепла позволяет представить и реализовать тепловые аналоги электронных устройств, таких как тепловые транзисторы, память, логические элементы и термоэлектрические двигатели», — сказал Джазотто. «С фундаментальной точки зрения наш метод также демонстрирует возможность исследования беззарядных квантовых режимов в твердотельных системах, таких как майорановские связанные состояния и парафермионы, которые не могут быть обнаружены с помощью обычных методов переноса заряда».
В будущем транзистор T-SQUIPT может проложить путь к реализации множества новых устройств. Недавняя статья также расширяет текущее понимание передачи энергии в наномасштабе, тем самым потенциально улучшая управление ею.
В будущем недавняя работа Джазотто и его коллег может вдохновить на новые исследования квантовых термодинамических свойств в сверхпроводящих наносистемах. В своих следующих исследованиях группа Istituto Nanoscienze (CNR) и Scuola Normale Superiore попытается улучшить характеристики T-SQUIPT, улучшив конструкцию термоклапана и используя сверхпроводящие материалы, позволяющие использовать его при температурах в несколько градусов Кельвина.
«Мы также планируем изучить реакцию ячейки памяти на время, чтобы исследовать время ее записи/стирания и ее способность сохранять закодированные данные в течение нескольких дней», — добавил Франческо Джазотто. «Это станет следующим важным шагом для практической реализации архитектуры тепловых вычислений и логики памяти».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.