En termisk superledende kvanteinterferens nærhetstransistor

Superledere er materialer som kan oppnå en tilstand kjent som superledning, der materie ikke har noen elektrisk motstand og ikke tillater penetrasjon av magnetiske felt. Ved lave temperaturer er disse materialene kjent for å være svært effektive termiske isolatorer, og på grunn av den såkalte nærhetseffekten kan de også påvirke tettheten av tilstander til nærliggende metalliske eller superledende ledninger.

Forskere ved Istituto Nanoscienze (CNR) og Scuola Normale Superiore i Italia har nylig utviklet en transistor som utnytter denne spesifikke kvaliteten på superledere. Transistoren deres, kalt en termisk superledende kvanteinterferens nærhetstransistor (T-SQUIPT), ble introdusert i en artikkel publisert i Naturfysikk.

“Vårt arbeid ligger i rammen av fasekoherent kaloritronikk som tar sikte på å forestille seg og realisere enheter som kan mestre energioverføring i forskjellige kvanteteknologiarkitekturer i nanoskala,” sa Francesco Giazotto, en av forskerne som utførte studien, til Phys.org.

Hovedideen bak T-SQUIPT, transistoren utviklet av Giazotto og hans kolleger, er å justere de termiske egenskapene til et metall eller en superleder ved å kontrollere dets spektralegenskaper, gjennom den såkalte superledende nærhetseffekten. I hovedsak utnytter transistoren den makroskopiske superledende kvantefasen for å kontrollere tettheten av tilstander i et metall i nærheten av superlederen, og modulerer dermed dens termiske transportegenskaper.

“T-SQUIPT var først teoretisk foreslått av noen av forfatterne av vår nylige artikkel for flere år siden, men uten en konkret realisering ennå,” sa Giazotto. “Vår implementering av T-SQUIPT utnytter en lang superledende nanotråd som nærliggende element, og lar oss dermed demonstrere muligheten for å fasejustere de termiske transportegenskapene til en superleder og å realisere den første termiske minnecellen også.”

Normale metaller er kjent for å være gode ledere av både elektrisitet og varme, da de er i stand til å la elektroner i krystallene deres overføre varme og ladning. I kontrast, mens superledere er gode elektriske ledere (dvs. viser null motstand), er de dårlige termiske ledere, ettersom de viktigste “frie bærerne” i krystallene deres er Cooper-par. Cooper-par er ladede elektronpar som ikke kan overføre varme, ettersom de er dissipasjonsløse i naturen.

“Kjernekonseptet til T-SQUIPT er en nanoskopisk øy av aluminium (Al) som kan gjøres superledende eller vanlig metalllignende med kvanteinterferens indusert av to superledende ledninger som definerer en ring og plassert i god metallisk kontakt med øya.” Giazotto forklarte.

“For heltallsverdier av flukskvantumet som gjennomborer den superledende sløyfen, forsterkes superledningsevnen og øya oppfører seg som en god termisk isolator. For halvheltallsverdier av flukskvantumet undertrykkes superledning ideelt sett, og øya oppfører seg som en god termisk leder .”

Denne unike designen, først introdusert av forskerne i en artikkel publisert i 2014, lar dem undertrykke eller forsterke superledning i transistoren deres etter eget ønske, ganske enkelt ved å bruke et eksternt magnetfelt. Som et resultat kan den termiske ledningsevnen til aluminiumsøya i transistoren manipuleres fullstendig, noe som gjør den til en såkalt termisk ventil.

Som en del av deres nylige studie demonstrerte Giazotto og deres kolleger denne evnen til transistoren deres ved å senke varme fra en metallisk elektrode inn i den, som også ble koblet til aluminiumsøya gjennom en tunnelkontakt. Samlet sett viser funnene deres muligheten for å fase-koherent manipulere energitransportkvalitetene til kvanteenheter.

“T-SQUIPT åpner veien for realisering av strukturer der kontrollen av varmetransporten gjør det mulig å se for seg og realisere de termiske motstykkene til elektroniske enheter, som termiske transistorer, minner, logiske porter og termoelektriske motorer,” sa Giazotto. “Fra et grunnleggende synspunkt demonstrerer metoden vår også muligheten til å undersøke ladningsløse kvantemoduser i faststoffsystemer, som Majorana-bundne tilstander og parafermioner, som ikke kunne oppdages med konvensjonelle ladningstransportteknikker.”

I fremtiden kan T-SQUIPT-transistoren bane vei mot realiseringen av en rekke nye enheter. Den nylige artikkelen forbedrer også den nåværende forståelsen av energioverføring på nanoskala, og kan dermed potensielt forbedre styringen.

I fremtiden kan det nylige arbeidet til Giazotto og hans kolleger inspirere til nye studier som undersøker kvantetermodynamiske egenskaper i superledende nanosystemer. I sine neste studier vil teamet ved Istituto Nanoscienze (CNR) og Scuola Normale Superiore prøve å forbedre ytelsen til T-SQUIPT, ved å forbedre utformingen av den termiske ventilen og ved å bruke superledende materialer som tillater bruk ved temperaturer på noen få Kelvin grader.

“Vi planlegger også å studere tidsresponsen til minnecellen for å undersøke skrive-/slettetiden og dens evne til å beholde de kodede dataene over flere dager,” la Giazotto til. “Dette vil representere det neste avgjørende skrittet for en praktisk implementering av termisk databehandling og minnelogikkarkitekturer.”

---

---

© 2022 Science X Network