Forskare vid TU Delft, tillsammans med kollegor från Tübingens universitet, har framgångsrikt skapat nanoelektroniska kretsar med en nyligen upptäckt tvådimensionell supraledare.

Det som gör detta material unikt är att dess supraledning kan slås på och av på distans, mycket likt omkopplingen av elektrisk ström i en transistor på ett mikrochip. Genom att använda denna effekt på nanoskala, forskarna skapade supraledande kretsar på ett helt nytt sätt, vilket är omöjligt att uppnå i andra allmänt kända supraledare. Deras arbete har publicerats i Naturens nanoteknik .

Skapa en supraledare från isolatorer

För att göra enheterna, forskare skapar först en ring som består av två isolatorer, lantanaluminat (LAO) och strontiumtitanat (STO). Detta görs genom en kombination av nanotillverkning och exakt atom för atom avsättning av lager av LAO på STO. Till sist, metallportar sätts på två små sektioner av denna ring. När dessa strukturer kyls ner till låga temperaturer uppstår en ringformad platta av supraledare vid gränsen mellan isolatorerna. Anledningen till denna oväntade uppkomst av supraledning är fortfarande ett mysterium. Sedan upptäckten 2007, grupper över hela världen har utvecklat tekniker för att bättre förstå varför denna supraledare dyker upp och vilka egenskaper den har. Enheterna som skapats vid TU Delft ger en ny väg för att komma åt viktig mikroskopisk information om denna supraledare, som hittills varit utom räckhåll.

Dörröppningar för supraledning

Metallportarna, som namnet antyder, är som dörröppningar i nanoskala för supraledning. När ingen spänning läggs på grindarna är denna dörr öppen och den supraledande ringen är ostörd. Å andra sidan, när stora spänningar appliceras, supraledningsförmågan strax under grindarna stängs av (dörren stängs helt) och två halvor av ringen kopplas bort från varandra. "Men något väldigt speciellt händer när dessa dörrar bara är delvis stängda", säger Srijit Goswami från Kavli Institute of Nanoscience, Delft. "I den här konfigurationen, enhetens motstånd börjar pendla mellan noll och något högt värde, när små magnetiska fält appliceras. Så, det verkar som om hela strukturen går fram och tillbaka mellan ett supraledande tillstånd (noll motstånd) och en normal metall (högt motstånd)." Denna effekt uppstår på grund av kvanteffekter i supraledaren, som i princip är väldigt lika vad som händer när två vågor överlagrar varandra för att producera ett interferensmönster. Därför kallas sådana enheter Superconducting Quantum Intereference Devices (SQUIDs).

SQUIDs används rutinmässigt i många applikationer, såsom medicinska MRI-maskiner, som kräver detektering av små magnetiska signaler. Det finns också försök att använda dem i framtida kvantinformationsbehandlingskretsar. Inte ens de mest avancerade teknikerna för att skapa SQUIDs idag tillåter en att justera de supraledande egenskaperna via elektriska grindar. Gruppledaren Andrea Caviglia kommenterar denna nya upptäckt:"Med den strategi som utvecklats vid TU Delft, det kan bli möjligt att skapa mer komplexa supraledande kretsar, där enhetens funktionalitet styrs helt via gate-spänningar". Huruvida sådana enheter så småningom kommer att bli tekniskt relevanta är fortfarande en öppen fråga. de kommer säkerligen att spela en viktig roll för att svara på grundläggande frågor om supraledning på nanoskala.