Supraledande minnesenhet i nanoskala. Den binära informationen kodas i riktning mot den elektriska strömmen i slingan. När strömmen flyter medurs, detta anses vara ett "0"-tillstånd för minnesenheten. När den flyter moturs, detta är ett '1'-tillstånd för minnesenheten. Eftersom elektronerna är supraledande, strömmen flyter oändligt i slingorna, gör minnet icke-flyktigt. (a) Ett fotografi av minnesenheten, bestående av en supraledande remsa av Mo75Ge25 (gul) med ett par supraledande nanotrådar som bildar en sluten slinga (även gul):Nanotrådarnas bredd är 24 nm och 22 nm, som markerat. (b) Den kritiska strömmen, dvs. den maximala strömmen som kan injiceras i enheten utan att förstöra supraledning, plottas som en funktion av magnetfältet. För att ställa in minnestillståndet '0', vi applicerar positiv ström riktad mot den skuggade diamanten. För att ställa in minnet till status '1', en negativ ström appliceras (som samma externa magnetfält). För att läsa av minnesstatus, strömmen rampas till ett högre värde, som visas av den röda romben, och strömvärdet vid vilket spänningen uppträder mäts. Ett sådant värde är den kritiska strömmen. Dess statistiska fördelning visas i (c). Det uppmätta värdet för den kritiska strömmen beror på det förinställda minnesvärdet, '0' eller '1'. Genom att mäta den kritiska strömmen kan vi således bestämma minnescellens tillstånd. Kredit:. Alexey Bezryadin och Andrew Murphey, University of Illinois i Urbana-Champaign
Att utveckla en supraledande dator som skulle utföra beräkningar i hög hastighet utan värmeavledning har varit målet för flera forsknings- och utvecklingsinitiativ sedan 1950-talet. En sådan dator skulle kräva en bråkdel av den energi som superdatorer förbrukar, och skulle vara många gånger snabbare och kraftfullare. Trots lovande framsteg i denna riktning under de senaste 65 åren, betydande hinder kvarstår, inklusive utveckling av miniatyriserat minne med låg spridning.
Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har utvecklat en ny minnescell i nanoskala som har ett enormt löfte om framgångsrik integration med supraledande processorer. Den nya tekniken, skapad av professor i fysik Alexey Bezryadin och doktorand Andrew Murphy, i samarbete med Dmitri Averin, en professor i teoretisk fysik vid State University of New York i Stony Brook, ger stabilt minne med en mindre storlek än andra föreslagna minnesenheter.
Enheten består av två supraledande nanotrådar, fäst till två ojämnt fördelade elektroder som "skrivits" med hjälp av elektronstrålelitografi. Nanotrådarna och elektroderna bildar en asymmetrisk, sluten supraledande slinga, kallas en nanotråd 'SQUID' (supraledande kvantinterferensanordning). Riktningen för strömmen som flyter genom slingan, antingen medurs eller moturs, motsvarar "0" eller "1" för binär kod.
Minnestillståndet skrivs genom att applicera en oscillerande ström av en viss storlek, vid ett specifikt magnetfält. För att läsa minnestillståndet ökar forskarna strömmen och upptäcker det aktuella värdet vid vilket supraledning förstörs. Det visar sig att sådan förstörelse eller kritisk ström är olika för de två minnestillstånden, "0" eller "1". Forskarna testade minnesstabilitet, fördröja läsningen av staten, och hittade inga fall av minnesförlust. Teamet utförde dessa experiment på två nanotråds-SQUIDS, gjord av supraledaren Mo75Ge25, med en metod som kallas molekylär schablon. Resultaten publiceras den 13 juni, 2017 New Journal of Physics .
Bezryadin kommenterar, "Det här är väldigt spännande. Sådana supraledande minnesceller kan skalas ner i storlek till ett intervall av några tiotals nanometer, och är inte föremål för samma prestandaproblem som andra föreslagna lösningar."
Murphy tillägger, "Andra försök att skapa en förminskad supraledande minnescell kunde inte nå den skala vi har. En supraledande minnesenhet måste vara billigare att tillverka än standardminne nu, och det måste vara tätt, små, och snabbt."
Tills nu, de mest lovande superdatorminnesenheterna, kallas "single-flux quanta"-enheter, förlita sig på manipuleringskretsar som består av Josephson-övergångar och induktiva element. Dessa är i mikrometerområdet, och miniatyrisering av dessa anordningar begränsas av storleken på Josephson-övergångarna och deras geometriska induktanser. Vissa av dessa kräver också ferromagnetiska barriärer för att koda information, där Bezryadin och Murphys enhet inte kräver några ferromagnetiska komponenter och eliminerar överhörning från magnetfält.
"Eftersom den kinetiska induktansen ökar med minskande tvärsnittsdimensioner av tråden, nanowire SQUID minneselement kan reduceras ytterligare, inom intervallet tiotals nanometer, "Bezryadin fortsätter.
Forskarna hävdar att den här enheten kan fungera med en mycket låg energiförlust, om energierna i två binära tillstånd är lika eller nästan lika. Den teoretiska modellen för sådana operationer utvecklades i samarbete med Averin. Växlingen mellan tillstånden med lika energi kommer att uppnås antingen genom kvanttunnelering eller genom adiabatiska processer som består av flera hopp mellan tillstånden.
I framtida arbete, Bezryadin planerar att ta itu med mätningarna av kopplingstiden och att studera större arrayer av nanotrådsbläckfiskarna i att fungera som arrayer av minneselement. De kommer också att testa supraledare med högre kritiska temperaturer, med målet att en minneskrets som skulle fungera vid 4 Kelvin. Snabba operationer kommer att uppnås genom att använda mikrovågspulser.
