Supraledare - material som leder elektricitet utan motstånd - är anmärkningsvärda. De ger en makroskopisk inblick i kvantfenomen, som vanligtvis bara kan observeras på atomnivå. Utöver deras fysiska egenhet, supraledare är också användbara. De finns i medicinsk bildbehandling, kvantdatorer, och kameror som används med teleskop.

Men supraledande enheter kan vara petiga. Ofta, de är dyra att tillverka och benägna att missa omgivningsljud. Det kan förändras, tack vare forskning från Karl Berggrens grupp vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap.

Forskarna utvecklar en supraledande nanotråd, vilket skulle kunna möjliggöra effektivare supraledande elektronik. Nanotrådens potentiella fördelar härrör från dess enkelhet, säger Berggren. "Vid slutet av dagen, det är bara en tråd."

Berggren kommer att presentera en sammanfattning av forskningen vid denna månads IEEE Solid-state Circuits Conference.

Motstånd är meningslöst

De flesta metaller tappar motstånd och blir supraledande vid extremt låga temperaturer, vanligtvis bara några grader över absoluta nollpunkten. De är vana vid att känna av magnetfält, speciellt i mycket känsliga situationer som övervakning av hjärnaktivitet. De har även applikationer inom både kvant- och klassisk datoranvändning.

Bakom många av dessa supraledare finns en anordning som uppfanns på 1960-talet kallad Josephson junction - i huvudsak två supraledare åtskilda av en tunn isolator. "Det var det som ledde till konventionell supraledande elektronik, och sedan slutligen till den supraledande kvantdatorn, säger Berggren.

Dock, Josephson-korsningen "är i grunden ett ganska känsligt föremål, ", tillägger Berggren. Det leder direkt till kostnad och komplexitet i tillverkningen, speciellt för den tunna isoleringen senare. Josephson junction-baserade supraledare kanske inte heller spelar bra med andra:"Om du försöker koppla det till konventionell elektronik, som de som finns i våra telefoner eller datorer, bullret från dessa bara träsk över Josephson-korsningen. Så, denna brist på förmåga att kontrollera större objekt är en verklig nackdel när du försöker interagera med omvärlden."

För att övervinna dessa nackdelar, Berggren utvecklar en ny teknik – den supraledande nanotråden – med rötter äldre än själva Josephson-korsningen.

Kryotron omstart

1956, MITs elektriska ingenjör Dudley Buck publicerade en beskrivning av en supraledande datoromkopplare som kallas kryotronen. Enheten var lite mer än två supraledande ledningar:Den ena var rak, och den andra lindades runt den. Kryotronen fungerar som en switch, eftersom när ström flyter genom den lindade tråden, dess magnetfält minskar strömmen som flyter genom den raka tråden.

Just då, kryotronen var mycket mindre än andra typer av datoromkopplare, som vakuumrör eller transistorer, och Buck trodde att kryotronen kunde bli datorernas byggsten. Men 1959 Buck dog plötsligt vid 32 års ålder, stoppa utvecklingen av kryotronen. (Sedan dess, transistorer har skalats till mikroskopiska storlekar och utgör idag de centrala logikkomponenterna i datorer.)

Nu, Berggren återupplivar Bucks idéer om supraledande datorswitchar. "De enheter vi tillverkar är mycket som kryotroner eftersom de inte kräver Josephson-korsningar, " säger han. Han kallade sin supraledande nanotrådsenhet nano-kryotronen som hyllning till Buck – även om den fungerar lite annorlunda än den ursprungliga kryotronen.

Nano-kryotronen använder värme för att utlösa en switch, snarare än ett magnetfält. I Berggrens apparat, ström går genom en supraledande, underkyld tråd som kallas "kanalen". Den kanalen skärs av en ännu mindre tråd som kallas "choke" - som en flerfilig motorväg som korsas av en sidoväg. När ström skickas genom choken, dess supraledning bryts ner och den värms upp. När den värmen sprider sig från choken till huvudkanalen, det gör att huvudkanalen också förlorar sitt supraledande tillstånd.

Berggrens grupp har redan visat proof-of-concept för nano-kryotronens användning som en elektronisk komponent. En tidigare elev till Berggrens, Adam McCaughan, utvecklat en enhet som använder nano-kryotroner för att lägga till binära siffror. Och Berggren har framgångsrikt använt nano-kryotroner som ett gränssnitt mellan supraledande enheter och klassiska, transistorbaserad elektronik.

Berggren säger att hans grupps supraledande nanotråd en dag skulle kunna komplettera – eller kanske konkurrera med – Josephson junction-baserade supraledande enheter. "Trådar är relativt lätta att göra, så det kan ha vissa fördelar när det gäller tillverkningsbarhet, " han säger.

Han tror att nano-kryotronen en dag kan hitta ett hem i supraledande kvantdatorer och underkyld elektronik för teleskop. Ledningar har låg effektförlust, så de kan också vara praktiska för energikrävande applikationer, han säger. "Det kommer förmodligen inte att ersätta transistorerna i din telefon, men om det skulle kunna ersätta transistorn i en serverfarm eller datacenter? Det skulle ha en enorm inverkan."

Utöver specifika applikationer, Berggren ser brett på sitt arbete med supraledande nanotrådar. "Vi gör grundforskning, här. Även om vi är intresserade av ansökningar, vi är bara också intresserade av:Vad finns det för olika sätt att göra datorer på? Som ett samhälle, vi har verkligen fokuserat på halvledare och transistorer. Men vi vill veta vad mer som kan finnas där ute."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.