Supercondutores - materiais que conduzem eletricidade sem resistência - são notáveis. Eles fornecem um vislumbre macroscópico dos fenômenos quânticos, que geralmente são observáveis ​​apenas no nível atômico. Além de sua peculiaridade física, supercondutores também são úteis. Eles são encontrados em imagens médicas, computadores quânticos, e câmeras usadas com telescópios.

Mas os dispositivos supercondutores podem ser meticulosos. Muitas vezes, eles são caros para fabricar e tendem a apresentar erros devido ao ruído ambiental. Isso pode mudar, graças à pesquisa do grupo de Karl Berggren no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação.

Os pesquisadores estão desenvolvendo um nanofio supercondutor, o que poderia permitir uma eletrônica supercondutora mais eficiente. Os benefícios potenciais do nanofio derivam de sua simplicidade, diz Berggren. "No fim do dia, é apenas um fio. "

Berggren apresentará um resumo da pesquisa na IEEE Solid-state Circuits Conference deste mês.

Resistir é inútil

A maioria dos metais perdem resistência e se tornam supercondutores em temperaturas extremamente baixas, geralmente apenas alguns graus acima do zero absoluto. Eles são usados ​​para detectar campos magnéticos, especialmente em situações altamente sensíveis, como monitorar a atividade cerebral. Eles também têm aplicações em computação quântica e clássica.

Subjacente a muitos desses supercondutores está um dispositivo inventado na década de 1960, chamado de junção Josephson - essencialmente dois supercondutores separados por um isolador fino. "Isso é o que levou à eletrônica supercondutora convencional, e, finalmente, para o computador quântico supercondutor, "diz Berggren.

Contudo, a junção Josephson "é fundamentalmente um objeto bastante delicado, "Berggren acrescenta. Isso se traduz diretamente em custo e complexidade de fabricação, especialmente para o isolante fino mais tarde. Supercondutores baseados em junção Josephson também podem não funcionar bem com outros:"Se você tentar fazer a interface com a eletrônica convencional, como os tipos em nossos telefones ou computadores, o barulho daqueles apenas inundam a junção Josephson. Então, essa falta de capacidade de controlar objetos em grande escala é uma desvantagem real quando você está tentando interagir com o mundo exterior. "

Para superar essas desvantagens, Berggren está desenvolvendo uma nova tecnologia - o nanofio supercondutor - com raízes mais antigas do que a própria junção Josephson.

Reinicialização do Cryotron

Em 1956, O engenheiro elétrico do MIT, Dudley Buck, publicou uma descrição de um switch supercondutor de computador chamado criotron. O dispositivo era pouco mais do que dois fios supercondutores:um era reto, e o outro estava enrolado nele. O criotron atua como um interruptor, porque quando a corrente flui através do fio enrolado, seu campo magnético reduz a corrente que flui através do fio reto.

No momento, o criotron era muito menor do que outros tipos de interruptores de computação, como tubos de vácuo ou transistores, e Buck achava que o criotron poderia se tornar o bloco de construção dos computadores. Mas em 1959, Buck morreu repentinamente aos 32 anos, interrompendo o desenvolvimento do criotron. (Desde então, os transistores foram dimensionados para tamanhos microscópicos e hoje constituem os principais componentes lógicos dos computadores.)

Agora, Berggren está reavivando as idéias de Buck sobre a supercondução de interruptores de computador. "Os dispositivos que estamos fabricando são muito parecidos com criotrons, pois não requerem junções Josephson, Ele apelidou seu dispositivo de nanofio supercondutor de nano-criotron em homenagem a Buck - embora funcione um pouco diferente do que o criotron original.

O nano-criotron usa calor para acionar um interruptor, em vez de um campo magnético. No dispositivo de Berggren, corrente passa por um supercondutor, fio super-resfriado chamado de "canal". Esse canal é interceptado por um fio ainda menor, chamado de "estrangulamento" - como uma rodovia multilinha cortada por uma estrada lateral. Quando a corrente é enviada através do estrangulamento, sua supercondutividade se quebra e ele se aquece. Uma vez que o calor se espalha do estrangulamento para o canal principal, faz com que o canal principal também perca seu estado supercondutor.

O grupo de Berggren já demonstrou a prova de conceito para o uso do nano-criotron como um componente eletrônico. Um ex-aluno de Berggren, Adam McCaughan, desenvolveu um dispositivo que usa nano-crioton para adicionar dígitos binários. E Berggren usou com sucesso nano-criotrons como uma interface entre dispositivos supercondutores e clássicos, eletrônica baseada em transistores.

Berggren diz que o nanofio supercondutor de seu grupo pode um dia complementar - ou talvez competir com - dispositivos supercondutores baseados em junções de Josephson. "Os fios são relativamente fáceis de fazer, portanto, pode ter algumas vantagens em termos de capacidade de fabricação, " ele diz.

Ele acha que o nano-criotron poderia um dia encontrar um lar em computadores quânticos supercondutores e eletrônicos super-resfriados para telescópios. Os fios têm baixa dissipação de energia, então eles também podem ser úteis para aplicações que consomem muita energia, ele diz. "Provavelmente não vai substituir os transistores do seu telefone, mas se pudesse substituir o transistor em um farm de servidores ou data center? Isso seria um grande impacto. "

Além de aplicativos específicos, Berggren tem uma visão ampla de seu trabalho com nanofios supercondutores. "Estamos fazendo pesquisas fundamentais, aqui. Embora estejamos interessados ​​em aplicativos, também estamos interessados ​​em:Quais são alguns tipos diferentes de maneiras de fazer computação? Como sociedade, nós realmente nos concentramos em semicondutores e transistores. Mas queremos saber o que mais pode estar lá fora. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.