Supraledare är material som kan uppnå ett tillstånd som kallas supraledning, där materia inte har något elektriskt motstånd och inte tillåter penetrering av magnetiska fält. Vid låga temperaturer är dessa material kända för att vara mycket effektiva värmeisolatorer och, på grund av den så kallade närhetseffekten, kan de också påverka tätheten i tillstånden hos närliggande metalliska eller supraledande ledningar.

Forskare vid Istituto Nanoscienze (CNR) och Scuola Normale Superiore i Italien har nyligen utvecklat en transistor som drar fördel av denna specifika kvalitet hos supraledare. Deras transistor, kallad en termisk supraledande quantum interference proximity transistor (T-SQUIPT), introducerades i en artikel publicerad i Nature Physics .

"Vårt arbete ligger inom ramen för faskoherent kaloritronik som syftar till att föreställa och förverkliga enheter som kan bemästra energiöverföringen i olika kvantteknologiarkitekturer i nanoskala," sa Francesco Giazotto, en av forskarna som genomförde studien, till Phys. .org.

Huvudidén bakom T-SQUIPT, transistorn som utvecklats av Giazotto och hans kollegor, är att justera de termiska egenskaperna hos en metall eller supraledare genom att kontrollera dess spektrala egenskaper, genom den så kallade supraledande närhetseffekten. I huvudsak utnyttjar transistorn den makroskopiska supraledande kvantfasen för att kontrollera tillståndstätheten i en metall i närheten av supraledaren, och modulerar på så sätt dess värmetransportegenskaper.

"T-SQUIPT föreslogs först teoretiskt av några av författarna till vår senaste artikel för flera år sedan, men utan en konkret insikt ännu," sa Giazotto. "Vår implementering av T-SQUIPT utnyttjar en lång supraledande nanotråd som närliggande element, vilket gör att vi kan demonstrera möjligheten att fasjustera de termiska transportegenskaperna hos en supraledare och att realisera den första termiska minnescellen också."

Normala metaller är kända för att vara bra ledare av både elektricitet och värme, eftersom de kan tillåta elektroner som finns i deras kristaller att överföra värme och ladda. I motsats till detta, medan supraledare är bra elektriska ledare (d.v.s. visar noll resistans), är de dåliga termiska ledare, eftersom de huvudsakliga "fria bärarna" i deras kristaller är Cooper-par. Cooper-par är laddade elektronpar som inte kan överföra värme, eftersom de är avledningslösa till sin natur.

"Kärnkonceptet med T-SQUIPT är en nanoskopisk ö av aluminium (Al) som kan göras supraledande- eller normalmetallliknande med kvantinterferens inducerad av två supraledande ledningar som definierar en ring och placeras i god metallisk kontakt med ön." Giazotto förklarade.

"För heltalsvärden för det flödeskvantum som genomborrar den supraledande slingan, förstärks supraledningsförmågan och ön beter sig som en bra värmeisolator. För halvheltalsvärden för flödeskvantumet är supraledning idealiskt undertryckt, och ön beter sig som en bra värmeledare ."

Denna unika design, som först introducerades av forskarna i en artikel publicerad 2014, tillåter dem att undertrycka eller förstärka supraledning i sin transistor efter behag, helt enkelt genom att applicera ett externt magnetfält. Som ett resultat kan den termiska ledningsförmågan hos aluminiumön i transistorn manipuleras helt, vilket gör den till en så kallad termisk ventil.

Som en del av deras senaste studie visade Giazotto och deras kollegor denna förmåga hos deras transistor genom att sänka värme från en metallelektrod in i den, som också var kopplad till aluminiumön genom en tunnelkontakt. Sammantaget visar deras resultat genomförbarheten av att faskoherent manipulera kvantanordningarnas energitransportegenskaper.

"T-SQUIPT öppnar vägen för förverkligandet av strukturer där kontrollen av värmetransporten gör det möjligt att föreställa sig och förverkliga de termiska motsvarigheterna till elektroniska enheter, såsom termiska transistorer, minnen, logiska grindar och termoelektriska motorer," sa Giazotto. "Från en fundamental synvinkel visar vår metod också möjligheten att undersöka laddningsfria kvantmoder i fasta tillståndssystem, såsom Majorana-bundna tillstånd och parafermioner, som inte kunde detekteras med konventionella laddningstransporttekniker."

I framtiden kan T-SQUIPT-transistorn bana väg mot förverkligandet av en mängd nya enheter. Den senaste artikeln förbättrar också den nuvarande förståelsen av energiöverföring på nanoskala, vilket potentiellt förbättrar dess hantering.

I framtiden kan det senaste arbetet av Giazotto och hans kollegor inspirera till nya studier som undersöker de kvanttermodynamiska egenskaperna i supraledande nanosystem. I sina nästa studier kommer teamet vid Istituto Nanoscienze (CNR) och Scuola Normale Superiore att försöka förbättra prestandan hos T-SQUIPT, genom att förbättra utformningen av den termiska ventilen och genom att använda supraledande material som tillåter användning vid temperaturer på några få Kelvingrader.

"Vi planerar också att studera minnescellens tidsrespons för att undersöka dess skriv-/raderingstid och dess förmåga att behålla den kodade datan under flera dagar," tillade Giazotto. "Detta skulle representera nästa avgörande steg för en praktisk implementering av termisk beräknings- och minneslogikarkitektur." + Utforska vidare

Kvanttermisk transistor kan styra värmeströmmar

© 2022 Science X Network