Ученые создали сверхпроводящее логическое устройство

Физики из МФТИ с коллегами, исследовав сверхпроводящее устройство, состоящее из ниобия и меди, при помощи низкотемпературного магнитно-силового микроскопа, обнаружили, что при определенных условиях в нем можно создавать управляемые состояния, которые, в свою очередь, можно использовать для реализации самых энергоэффективных вычислительных устройств и устройств памяти в мире. Результаты исследования могут лечь в основу принципиально нового направления в реализации сверхпроводящих логических устройств. Работа опубликована в журнале Nano Letters.

Основная цель изучения сверхпроводящих структур — это создание устройств, которые могут работать практически без выделения тепла, то есть быть энергоэффективными. Очень важным показателем во всех логических устройствах, используемых в компьютерах и другой электронной технике, является количество энергии, выделяемое на одну операцию. В этом смысле сверхпроводники выглядят очень перспективно. Они проводят ток без сопротивления вообще. Остается один вопрос: как при отсутствии сопротивления создать логическое устройство,  потому что именно наличие какого-то возмущения определяет событие, которое принимается за «0» или «1» в логическом устройстве. В транзисторах, основных сейчас элементах электронной техники, таким возмущением является наличие или отсутствие напряжения. 

Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ: «В сверхпроводниках при пропускании по ним тока меньше его критического значения электрическое напряжение отсутствует. Поэтому в обычной ситуации мы не можем фиксировать события, происходящие в них. Если, конечно, они не связаны с разрушением самой сверхпроводимости. Наша работа посвящена тому, как фиксировать события, происходящие в сверхпроводящем джозефсоновском устройстве, до появления какого-либо электрического напряжения на нем. Мы нашли такой способ». 

Для эксперимента ученые сделали систему из двух сверхпроводников — ниобиевых контактов, между которыми находится тонкий участок медной пленки. Такая система называется джозефсоновским контактом на основе нормального металла. У участка меди, он называется слабой связью, есть критические характеристики, в том числе критический ток. Так называется предельное значение постоянного тока, при достижении которого система перестает быть сверхпроводящей. 

«Мы пускали ток через наш джозефсоновский контакт и с помощью методик, разработанных в наших лабораториях, фиксировали события, которые происходят внутри устройства до достижения критических токов. Оказалось, что в некоторый момент в систему входит вихрь джозефсоновских токов, который несет с собой квант магнитного потока. А мы можем фиксировать вход и выход этого кванта магнитного потока в устройство. Причем, когда этот квант потока движется, он не создает глобального электрического напряжения в системе — сверхток успевает перераспределиться и не достигает критического значения. Но вихрь при этом движется, его положение мы можем фиксировать, измеряя диамагнитный сигнал при помощи своеобразного взаимодействующего с устройством резонатора. В качестве резонатора мы использовали кантилевер магнитного микроскопа. Когда вихрь входит в систему, резонансная частота и амплитуда меняется, происходит некоторая диссипация энергии, которую мы и фиксировали», — комментирует эксперимент Василий Столяров. 

Нельзя сказать, что система совсем не выделяет энергии, но, поскольку движется всего один вихрь, можно сказать, что достигнуто самое маленькое энерговыделение из возможных в такого рода устройствах. 

Игла магнитного микроскопа создает вокруг себя магнитное поле, которое, в свою очередь, влияет на систему. Поскольку поле неоднородное, вихрь скатывается туда, где поле побольше. Чтобы выйти из этой ямы, вихрю нужно помочь, приложив, например, дополнительное магнитное поле другого знака. Это значит, что есть два решения: одно для входа вихря, другое — для его выхода, и между ними можно переключаться. А это уже логическое устройство. Фиксируя изменение диамагнитного сигнала при помощи резонатора, можно фиксировать наличие или отсутствие джозефсоновского вихря в системе. Энергия, выделяющаяся при событии, порядка 10-18 Джоулей (аттоджоуль), очень низкая. По сути, это минимальная энергия, которая может выделяться при совершении логической операции в такого типа системах. 

Василий Столяров: «В продолжение этой работы сейчас мы, c нашими аспирантами и студентами, уже сделали устройство, которое без магнитного микроскопа, на чипе, позволяет задавать состояния “1” и “0”, оперируя только одним джозефсоновским вихрем». 

Кроме сотрудников Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, в исследовании принимали участие исследователи из Института физики твердого тела РАН, МИСиСа, НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, МГУ, ученые из Франции и Нидерландов.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030» и Российского научного фонда.

Фото: Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. Фотограф Анастасия Максименко, пресс-служба МФТИ