Dispositivo de memória em nanoescala supercondutor. A informação binária é codificada na direção da corrente elétrica no loop. Quando a corrente flui no sentido horário, este é considerado um estado '0' do dispositivo de memória. Quando flui no sentido anti-horário, este é um estado '1' do dispositivo de memória. Como os elétrons são supercondutores, a corrente flui indefinidamente nos loops, tornando a memória não volátil. (a) Uma fotografia do dispositivo de memória, consistindo em uma tira supercondutora de Mo75Ge25 (amarelo) com um par de nanofios supercondutores formando um circuito fechado (também amarelo):A largura dos nanofios é de 24 nm e 22 nm, conforme marcado. (b) A corrente crítica, ou seja, a corrente máxima que pode ser injetada no dispositivo sem destruir a supercondutividade, é traçado como uma função do campo magnético. Para definir o estado de memória '0', aplicamos corrente positiva visando o diamante sombreado. Para definir a memória para o estado '1', uma corrente negativa é aplicada (como o mesmo campo magnético externo). Para ler o estado da memória, a corrente é aumentada para um valor mais alto, como mostrado pelo losango vermelho, e o valor da corrente em que ocorre a tensão é medido. Esse valor é a corrente crítica. Sua distribuição estatística é mostrada em (c). O valor medido da corrente crítica depende do valor de memória predefinido, '0' ou '1'. Assim, ao medir a corrente crítica, podemos determinar o estado da célula de memória. Crédito:. Alexey Bezryadin e Andrew Murphey, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign
O desenvolvimento de um computador supercondutor que realizaria cálculos em alta velocidade sem dissipação de calor tem sido o objetivo de várias iniciativas de pesquisa e desenvolvimento desde a década de 1950. Tal computador exigiria uma fração da energia que os supercomputadores consomem, e seria muitas vezes mais rápido e poderoso. Apesar de avanços promissores nessa direção nos últimos 65 anos, obstáculos substanciais permanecem, inclusive no desenvolvimento de memória miniaturizada de baixa dissipação.
Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign desenvolveram uma nova célula de memória em nanoescala que oferece uma grande promessa de integração bem-sucedida com processadores supercondutores. A nova tecnologia, criado pelo professor de física Alexey Bezryadin e o estudante de graduação Andrew Murphy, em colaboração com Dmitri Averin, professor de física teórica na State University of New York em Stony Brook, fornece memória estável em um tamanho menor do que outros dispositivos de memória propostos.
O dispositivo compreende dois nanofios supercondutores, ligado a dois eletrodos espaçados desigualmente que foram "escritos" usando litografia de feixe de elétrons. Os nanofios e eletrodos formam uma forma assimétrica, circuito supercondutor fechado, chamado de nanofio 'SQUID' (dispositivo de interferência quântica supercondutor). A direção da corrente fluindo através do loop, tanto no sentido horário quanto no anti-horário, é igual a "0" ou "1" do código binário.
O estado da memória é escrito aplicando uma corrente oscilante de uma magnitude particular, em um campo magnético específico. Para ler o estado da memória, os cientistas aumentam a corrente e detectam o valor atual no qual a supercondutividade é destruída. Acontece que tal destruição ou corrente crítica é diferente para os dois estados de memória, "0" ou "1". Os cientistas testaram a estabilidade da memória, atrasando a leitura do estado, e não encontrou ocorrências de perda de memória. A equipe realizou esses experimentos em dois SQUIDS nanofios, feito do supercondutor Mo75Ge25, usando um método chamado modelagem molecular. Os resultados são publicados no dia 13 de junho, 2017 New Journal of Physics .
Comentários de Bezryadin, "Isso é muito emocionante. Essas células de memória supercondutoras podem ser reduzidas em tamanho para a faixa de algumas dezenas de nanômetros, e não estão sujeitos aos mesmos problemas de desempenho que outras soluções propostas. "
Murphy acrescenta, "Outros esforços para criar uma célula de memória supercondutora em escala reduzida não foram capazes de atingir a escala que temos. Um dispositivo de memória supercondutora precisa ser mais barato de fabricar do que a memória padrão agora, e precisa ser denso, pequena, e rápido."
Até agora, os dispositivos de supercomputação de memória mais promissores, chamados dispositivos de 'quanta de fluxo único', dependem de manipulação de circuitos compostos de junções Josephson e elementos indutivos. Estes estão na faixa do micrômetro, e a miniaturização desses dispositivos é limitada pelo tamanho das junções Josephson e suas indutâncias geométricas. Alguns deles também requerem barreiras ferromagnéticas para codificar informações, onde o dispositivo de Bezryadin e Murphy não requer nenhum componente ferromagnético e elimina a interferência do campo magnético.
"Como a indutância cinética aumenta com a diminuição das dimensões da seção transversal do fio, elementos de memória SQUID de nanofios poderiam ser reduzidos ainda mais, na faixa de dezenas de nanômetros, "Bezryadin continua.
Os pesquisadores argumentam que este dispositivo pode operar com uma dissipação de energia muito baixa, se as energias de dois estados binários são iguais ou quase iguais. O modelo teórico para tais operações foi desenvolvido em colaboração com Averin. A comutação entre os estados de energia igual será alcançada por tunelamento quântico ou por processos adiabáticos compostos de saltos múltiplos entre os estados.
Em trabalho futuro, Bezryadin planeja abordar as medições do tempo de comutação e estudar matrizes maiores de lulas de nanofios funcionando como matrizes de elementos de memória. Eles também testarão supercondutores com temperaturas críticas mais altas, com o objetivo de um circuito de memória que operasse a 4 Kelvin. Operações rápidas serão alcançadas utilizando pulsos de micro-ondas.
