En supraledande nanotråd (blå) med tre grindelektroder (röda) placerade på ett kiselsubstrat (grå). Applicering av en grindspänning på elektroden Vgl resulterar i en övergång av nanotråden från supraledande till resistivt tillstånd. Applicering av en spänningsskillnad mellan de två avlägsna elektroderna Vg2 och Vg3 resulterar i en liknande effekt, men förmedlad av kiselsubstratet. Längst upp till höger:nanotrådens kritiska ström (stor betyder supraledande, noll betyder resistiv) som funktion av Vg1. Vid Vg1=0 är nanotråden supraledande, vid Vg1<-5V och Vg1>5V är nanotråden resistiv. Längst ned till höger:strömmen som flyter från grinden Vg1 till nanotråden i en logaritmisk skala. Det platta området runt Vg1=0 är bullergolvet för vår mätning. Kredit:IBM, Ritter et al (2022)
Supraledare är material som kan komma in i ett tillstånd utan elektriskt motstånd, genom vilket magnetiska fält inte kan tränga igenom. På grund av deras intressanta egenskaper har många materialforskare och ingenjörer undersökt potentialen hos dessa material för ett brett spektrum av elektroniktillämpningar.
En viktig fördel med supraledare är att de kan transportera elektriska signaler samtidigt som de förhindrar att de sprids, vilket är särskilt användbart vid utveckling av kvantdatorer. Att kontrollera sina tillstånd, som vanligtvis görs med halvledarteknik, har dock hittills visat sig vara utmanande.
För några år sedan föreslog en studie att supraledande material kunde slås på och av. Forskare vid IBM Research i Zürich har undersökt dessa resultat ytterligare, i hopp om att förklara omkopplingsmekanismen som avslöjades av denna tidigare studie. Deras resultat beskrevs nyligen i en artikel publicerad i Nature Electronics .
"Supraledare är först och främst metaller, och metaller avskärmar externa elektriska fält mycket effektivt", säger Andreas Fuhrer och Fabrizio Nichele, två av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Detta grundläggande koncept, som finns i alla fysikläroböcker, ifrågasattes av en publikation från 2018. I det arbetet hävdade författarna att de hade slagit på och av supraledningsförmågan i en titan-nanotråd via måttliga elektriska fält som applicerades av en närliggande grindelektrod. "
Om de bekräftas, skulle resultaten som samlades in 2018 av NEST och SPIN-CNR i Italien möjliggöra utvecklingen av helt nya typer av elektroniska och kvantberäkningsenheter baserade på supraledare. För några år sedan satte de sig alltså för att avslöja den mikroskopiska, fysiska mekanism som uppstår i nanometerstora supraledare när elektriska fält finns.
I ett första dokument som publicerades 2021, skisserade forskarna några första tips om det möjliga ursprunget till den observerade undertryckta supraledningsförmågan i titananotrådar. Deras nya studie bygger på detta papper och erbjuder en mer detaljerad förklaring till resultaten som samlats in av teamet på NEST och SPIN-CNR.
"Vårt tidigare arbete visade att undertryckandet av supraledning alltid gick hand i hand med små läckströmmar som flödade från grindelektroden till nanotråden," förklarade Fuhrer och Nichele. "Sådana strömmar var mycket små (några pA eller 0.000.000.000.001 Ampere), så att de kan ha gått obemärkt förbi i tidigare arbete. För oss var det rimligt att anta att en sådan ström skulle vara ansvarig för att störa supraledning, eftersom energin av varje elektron som bärs av strömmen var ganska stor (cirka 100 000 större än den bindningsenergi som håller elektronerna i en metall i supraledande tillstånd)."
Medan deras tidigare studie gjorde det möjligt för Fuhrer, Nichele och deras kollegor att få en känsla av den möjliga mekanismen som ligger till grund för det observerade undertryckandet av supraledning, saknade den fortfarande ett antal nyckelingredienser. Huvudmålet med deras senaste uppsats var att ge en solid och tillfredsställande förklaring till fenomenet.
"Våra nya experiment är helt förenliga med vårt första arbete, i den meningen att vi visar igen att strömmar som läcker från grindarna (inte elektriska fält) behövs för att undertrycka supraledning i metalliska nanotrådar," sa Fuhrer och Nichele. "Men vi visade nu också att strömmen inte nödvändigtvis behöver flyta från grinden till nanotråden."
En anordning som liknar den som presenterades ovan, men med ett 500 nm djupt dike i substratet. Trenchen skyddar nanotråden från fononerna. Kredit:IBM, Ritter et al (2022)
Forskarna uppnådde liknande resultat när strömmen av högenergielektroner strömmade ut ur tråden och när den strömmade mellan två elektroder placerade i närheten av nanotråden (utan att några elektroner nådde själva nanotråden). Dessa resultat belyser den avgörande roll som materialets substrat har i undertryckandet av supraledning.
Apparaterna som forskarna använde i sina experiment är baserade på en kristallin kiselwafer. Detta är substratet där strömmarna av högenergielektroner flyter när höga spänningar appliceras mellan elektroderna.
"När elektroner, accelererade till hög energi av de stora spänningarna, rör sig i kislet, sparkar de kiselatomer kontinuerligt och överför sin energi till vibrationer i kristallgittret (vad fysiker kallar "fononer")," förklarade Fuhrer och Nichele. "Till skillnad från elektroner färdas fononer väldigt långa sträckor i kiselgittret (flera mikrometer) och kan lätt störa det supraledande tillståndet i den metalliska nanotråden."
Det senaste arbetet av Fuhrer, Nichele och deras kollegor visar att, i motsats till fotoner, fungerar fononer som förmedlare. Baserat på detta fynd skapade teamet en omkopplingsenhet som består av ett djupt gräv etsat in i ett kiselsubstrat.
"Trenchen reflekterar fononerna som genereras på ena sidan och skyddar nanotråden, som kvarstår längre i supraledande tillstånd," sa Fuhrer och Nichele. "Vibrationer finns alltid i en kristall, ju högre temperatur desto mer vibrerar kristallen. Fononerna vi producerar i våra enheter har dock helt andra energier än de som är resultatet av en temperaturökning."
När forskarna utförde sina experiment vid temperaturer under 4 Kelvin fann de att fotonerna som producerades hade en temperatur på över 100 Kelvin. Detta fynd förklarar varför switchade enheter som den de utvecklade har mycket låga strömkrav jämfört med mer konventionella switchar.
Sammantaget erbjuder det senaste arbetet av Fuhrer, Nichele och deras kollegor på IBM Research en sammanhängande och övertygande förklaring till de experimentella resultaten som publicerades av teamet på NEST och SPIN-CNR under 2018, som tidigare var oförklarade. I framtiden kan deras förklaring hjälpa till att förstå supraledare ytterligare, vilket potentiellt möjliggör deras användning för utveckling av nya typer av enheter.
"Vår studie bidrar också till en ny generation supraledande enheter där ett metalliskt element kan bytas från supraledande till resistivt på ett mycket snabbt och strömsnålt sätt," sa Fuhrer och Nichele. "Detta kan hitta omedelbar tillämpning inom kvantberäkningsområdet, till exempel inom området där styrelektroniken gränsar kvantbitar till klassiska datorer."
I sin uppsats introducerade Fuhrer, Nichele och deras kollegor också ett tillvägagångssätt för att generera högenergielektroner och fononer på begäran. Högenergipartiklar, såsom kosmiska strålar som träffar jorden från yttre rymden, är kända för att negativt påverka kvantdatorernas funktion. I framtiden skulle därför deras tillvägagångssätt också kunna användas för att studera effekterna av högenergiexcitationer på kvantteknologi ytterligare.
"Vår huvudsakliga aktivitet är förverkligandet av kvantbitar," tillade. "I våra nästa papper skulle vi vilja kombinera vårt switchelement med en qubit och undersöka hur nära switchen kan placeras så att nya funktioner introduceras utan de nackdelar som är förknippade med fononer." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
