Un transistor de proximitat d’interferència quàntica superconductor tèrmic


Un transistor de proximitat d'interferència quàntica superconductor tèrmic

Imatge de microscòpia electrònica d’escaneig (SEM) en fals color d’un T-SQUIPT típic. Un nanofil d’Al (groc) s’insereix en un anell d’Al (blau), mentre que un elèctrode de metall normal (vermell) s’acobla a través d’una fina capa d’òxid al centre del nanofil. Un conjunt de sondes de túnel superconductores (grogues) s’acoblen a l’elèctrode de metall normal i serveixen com a escalfadors i termòmetres locals. Crèdit: Ligato et al.

Els superconductors són materials que poden assolir un estat conegut com a superconductivitat, en el qual la matèria no té resistència elèctrica i no permet la penetració de camps magnètics. A baixes temperatures, se sap que aquests materials són aïllants tèrmics molt eficaços i, a causa de l’anomenat efecte de proximitat, també poden influir en la densitat d’estats dels cables metàl·lics o superconductors propers.

Investigadors de l’Istituto Nanoscienze (CNR) i la Scuola Normale Superiore d’Itàlia han desenvolupat recentment un transistor que aprofita aquesta qualitat específica dels superconductors. El seu transistor, anomenat transistor de proximitat d’interferència quàntica superconductor tèrmic (T-SQUIPT), es va presentar en un article publicat a Física de la natura.

“El nostre treball es troba en el marc de la caloritrònica coherent en fases que pretén imaginar i realitzar dispositius capaços de dominar la transferència d’energia en diferents arquitectures de tecnologia quàntica a nanoescala”, va dir Francesco Giazotto, un dels investigadors que va dur a terme l’estudi, a Phys.org.

La idea principal darrere de T-SQUIPT, el transistor desenvolupat per Giazotto i els seus col·legues, és ajustar les propietats tèrmiques d’un metall o superconductor controlant-ne les característiques espectrals, mitjançant l’anomenat efecte de proximitat superconductor. Essencialment, el transistor explota la fase quàntica superconductora macroscòpica per controlar la densitat d’estats en un metall a la proximitat del superconductor, modulant així les seves propietats de transport tèrmic.

“T-SQUIPT va ser el primer proposat teòricament per alguns dels autors del nostre article recent fa uns quants anys, tot i que encara sense una realització concreta”, va dir Giazotto. “La nostra implementació del T-SQUIPT explota un nanofil superconductor llarg com a element proximitzat, cosa que ens permet demostrar la possibilitat d’ajustar en fase les propietats de transport tèrmic d’un superconductor i per realitzar també la primera cèl·lula de memòria tèrmica”.

Se sap que els metalls normals són bons conductors tant de l’electricitat com de la calor, ja que són capaços de permetre que els electrons continguts en els seus cristalls transfereixin calor i càrrega. En canvi, mentre que els superconductors són bons conductors elèctrics (és a dir, que mostren una resistència zero), són conductors tèrmics pobres, ja que els principals “portadors lliures” dels seus cristalls són parells de Cooper. Els parells de Cooper són parells d’electrons carregats que no poden transferir calor, ja que són de naturalesa sense dissipació.

“El concepte bàsic de T-SQUIPT és una illa nanoscòpica d’alumini (Al) que es pot fer superconductora o com un metall normal amb una interferència quàntica induïda per dos cables superconductors que defineixen un anell i col·locats en bon contacte metàl·lic amb l’illa”. va explicar Giazotto.

“Per als valors enters del quàntic de flux que perfora el bucle superconductor, la superconductivitat es reforça i l’illa es comporta com un bon aïllant tèrmic. Per als valors seminters del quàntic de flux, la superconductivitat es suprimeix idealment i l’illa es comporta com un bon conductor tèrmic. .”

Aquest disseny únic, introduït per primera vegada pels investigadors en un article publicat el 2014, els permet suprimir o reforçar la superconductivitat del seu transistor a voluntat, simplement aplicant un camp magnètic extern. Com a resultat, la conductivitat tèrmica de l’illa d’alumini del transistor es pot manipular completament, convertint-la en una anomenada vàlvula tèrmica.

Com a part del seu estudi recent, Giazotto i els seus col·legues van demostrar aquesta capacitat del seu transistor enfonsant-hi la calor d’un elèctrode metàl·lic, que també es va acoblar a l’illa d’alumini mitjançant un contacte de túnel. En general, les seves troballes demostren la viabilitat de manipular de manera coherent en fase les qualitats de transport d’energia dels dispositius quàntics.

“T-SQUIPT obre el camí a la realització d’estructures on el control del transport de calor permet visualitzar i realitzar els homòlegs tèrmics dels dispositius electrònics, com ara transistors tèrmics, memòries, portes lògiques i motors termoelèctrics”, va dir Giazotto. “Des d’un punt de vista fonamental, el nostre mètode també demostra la possibilitat d’investigar modes quàntics sense càrrega en sistemes d’estat sòlid, com els estats units a Majorana i els parafermions, que no es podrien detectar mitjançant tècniques de transport de càrrega convencionals”.

En el futur, el transistor T-SQUIPT podria obrir el camí cap a la realització de diversos dispositius nous. El document recent també millora la comprensió actual de la transferència d’energia a escala nanomètrica, millorant així la seva gestió.

En el futur, el treball recent de Giazotto i els seus col·legues podria inspirar nous estudis que investiguen les propietats termodinàmiques quàntiques en nanosistemes superconductors. En els seus propers estudis, l’equip de l’Istituto Nanoscienze (CNR) i la Scuola Normale Superiore intentaran millorar el rendiment de T-SQUIPT, millorant el disseny de la vàlvula tèrmica i utilitzant materials superconductors que permetin el seu ús a temperatures d’uns pocs Graus Kelvin.

“També tenim previst estudiar la resposta temporal de la cèl·lula de memòria per investigar el seu temps d’escriptura/esborrat i la seva capacitat de retenir les dades codificades durant diversos dies”, va afegir Giazotto. “Això representaria el següent pas crucial per a una implementació pràctica de la computació tèrmica i les arquitectures lògiques de memòria”.


El transistor tèrmic quàntic pot controlar els corrents de calor


Més informació:
Nadia Ligato et al, Transistor de proximitat d’interferència quàntica superconductora tèrmica; Física de la natura (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01578-z

E. Strambini et al, Nanovàlvula de proximitat amb gran conductància tèrmica ajustable en fase, Lletres de Física Aplicada (2014). DOI: 10.1063/1.4893759

© 2022 Science X Network

Citació: Un transistor de proximitat d’interferència quàntica superconductor tèrmic (2022, 5 de maig) recuperat el 5 de maig de 2022 de https://phys.org/news/2022-05-thermal-superconducting-quantum-proximity-transistor.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudis o investigacions privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.