Les supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance, sont remarquables. Ils donnent 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 en imagerie médicale, ordinateurs quantiques, et les caméras utilisées avec les télescopes.

Mais les dispositifs supraconducteurs peuvent être capricieux. Souvent, ils sont coûteux à fabriquer et enclins à se tromper en raison du bruit environnemental. Cela pourrait changer, grâce aux recherches du groupe de Karl Berggren au Département de génie électrique et informatique.

Les chercheurs développent un nanofil supraconducteur, qui pourrait permettre une électronique supraconductrice plus efficace. Les avantages potentiels du nanofil découlent de sa simplicité, dit Berggren. "À la fin de la journée, c'est juste un fil."

Berggren présentera un résumé de la recherche lors de la conférence IEEE sur les circuits à semi-conducteurs de ce mois-ci.

La résistance est futile

La plupart des métaux perdent de la 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 dans l'informatique quantique et classique.

À la base de bon nombre de ces supraconducteurs se trouve un dispositif inventé dans les années 1960 appelé 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, " dit Berggren.

Cependant, la jonction Josephson « est fondamentalement un objet assez délicat, " ajoute Berggren. Cela se traduit directement par le coût et la complexité de la fabrication, surtout pour l'isolant mince plus tard. Les supraconducteurs à jonction Josephson peuvent également ne pas bien fonctionner avec les autres :« Si vous essayez de l'interfacer avec l'électronique conventionnelle, comme ceux de nos téléphones ou de nos ordinateurs, le bruit de ceux-ci submerge juste 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 pallier ces inconvénients, Berggren développe une nouvelle technologie, le nanofil supraconducteur, dont les racines sont 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 d'elle. Le cryotron agit comme un interrupteur, parce que lorsque le courant circule dans le fil enroulé, son champ magnétique réduit le courant circulant dans le fil droit.

À l'époque, le cryotron était beaucoup plus petit que les autres types de commutateurs informatiques, comme des tubes à vide ou des transistors, et Buck pensait que le cryotron pourrait devenir la pierre angulaire des ordinateurs. Mais en 1959, Buck est décédé subitement à 32 ans, l'arrêt du développement du cryotron. (Depuis, les transistors ont été dimensionnés 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 aux cryotrons en ce sens qu'ils ne nécessitent pas de jonctions Josephson, " dit-il. Il a surnommé son dispositif à nanofils supraconducteurs 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 supraconducteur, fil surfondu appelé "canal". Ce canal est coupé 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 dégrade et il se réchauffe. Une fois que la chaleur s'est propagée du starter au canal principal, il 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 en tant que composant électronique. Un ancien élève de Berggren, Adam McCaughan, 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 les appareils classiques, électronique à transistors.

Berggren dit que le nanofil supraconducteur de son groupe pourrait un jour compléter – ou peut-être rivaliser avec – les dispositifs supraconducteurs à jonction Josephson. "Les fils sont relativement faciles à faire, il peut donc avoir des avantages en termes de fabricabilité, " il dit.

Il pense que le nano-cryotron pourrait un jour trouver sa 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 énergivores, il dit. "Cela ne remplacera probablement pas les transistors de votre téléphone, mais si cela pouvait remplacer le transistor dans une ferme de serveurs ou un centre de données ? Cela aurait 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. Pendant que nous nous intéressons aux applications, ce qui nous intéresse aussi :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 ce qu'il pourrait y avoir d'autre."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.