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.

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.

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.

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.