Dispositivo de memoria a nanoescala superconductor. La información binaria se codifica en la dirección de la corriente eléctrica en el bucle. Cuando la corriente fluye en el sentido de las agujas del reloj, esto se considera un estado '0' del dispositivo de memoria. Cuando fluye en sentido antihorario, este es un estado '1' del dispositivo de memoria. Debido a que los electrones son superconductores, la corriente fluye indefinidamente en los bucles, haciendo la memoria no volátil. (a) Una fotografía del dispositivo de memoria, que consiste en una tira superconductora de Mo75Ge25 (amarillo) con un par de nanocables superconductores que forman un circuito cerrado (también amarillo):El ancho de los nanocables es de 24 nm y 22 nm, como marcado. (b) La corriente crítica, es decir., la corriente máxima que se puede inyectar en el dispositivo sin destruir la superconductividad, se traza en función del campo magnético. Para configurar el estado de la memoria '0', aplicamos corriente positiva apuntando al diamante sombreado. Para configurar la memoria en el estado '1', se aplica una corriente negativa (como el mismo campo magnético externo). Para leer el estado de la memoria, la corriente aumenta a un valor más alto, como lo muestra el rombo rojo, y se mide el valor de corriente al que se produce el voltaje. Tal valor es la corriente crítica. Su distribución estadística se muestra en (c). El valor medido de la corriente crítica depende del valor de memoria preestablecido, '0' o '1'. Por lo tanto, midiendo la corriente crítica, podemos determinar el estado de la celda de memoria. Crédito:. Alexey Bezryadin y Andrew Murphey, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Desarrollar una computadora superconductora que realice cálculos a alta velocidad sin disipación de calor ha sido el objetivo de varias iniciativas de investigación y desarrollo desde la década de 1950. Una computadora así requeriría una fracción de la energía que consumen las supercomputadoras actuales, y sería muchas veces más rápido y poderoso. A pesar de los prometedores avances en esta dirección durante los últimos 65 años, Quedan obstáculos sustanciales, incluso en el desarrollo de memoria miniaturizada de baja disipación.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado una nueva celda de memoria a nanoescala que es una tremenda promesa para la integración exitosa con procesadores superconductores. La nueva tecnología, creado por el profesor de física Alexey Bezryadin y el estudiante graduado Andrew Murphy, en colaboración con Dmitri Averin, profesor de física teórica en la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, proporciona memoria estable en un tamaño más pequeño que otros dispositivos de memoria propuestos.
El dispositivo consta de dos nanocables superconductores, unido a dos electrodos espaciados de manera desigual que fueron "escritos" usando litografía de haz de electrones. Los nanocables y electrodos forman un asimétrico, bucle superconductor cerrado, llamado nanoalambre 'SQUID' (dispositivo superconductor de interferencia cuántica). La dirección de la corriente que fluye a través del bucle, ya sea en sentido horario o antihorario, equivale al "0" o al "1" del código binario.
El estado de la memoria se escribe aplicando una corriente oscilante de una magnitud particular, en un campo magnético específico. Para leer el estado de la memoria, los científicos aumentan la corriente y detectan el valor actual en el que se destruye la superconductividad. Resulta que tal destrucción o corriente crítica es diferente para los dos estados de memoria, "0" o "1". Los científicos probaron la estabilidad de la memoria, retrasando la lectura del estado, y no encontró casos de pérdida de memoria. El equipo realizó estos experimentos en dos SQUIDS de nanocables, hecho del superconductor Mo75Ge25, utilizando un método llamado plantilla molecular. Los resultados se publican en el 13 de junio de 2017 Nueva Revista de Física .
Bezryadin comenta, "Esto es muy emocionante. Estas células de memoria superconductoras pueden reducirse en tamaño al rango de unas pocas decenas de nanómetros, y no están sujetos a los mismos problemas de rendimiento que otras soluciones propuestas ".
Murphy agrega, "Otros esfuerzos para crear una celda de memoria superconductora reducida no pudieron alcanzar la escala que tenemos. Un dispositivo de memoria superconductora debe ser más barato de fabricar que la memoria estándar ahora, y necesita ser denso, pequeña, y rápido."
Hasta ahora, los dispositivos de memoria de supercomputación más prometedores, llamados dispositivos de 'cuantos de flujo único', se basan en la manipulación de circuitos compuestos por uniones Josephson y elementos inductivos. Estos están en el rango de micrómetros, y la miniaturización de estos dispositivos está limitada por el tamaño de las uniones de Josephson y sus inductancias geométricas. Algunos de estos también requieren barreras ferromagnéticas para codificar la información, donde el dispositivo de Bezryadin y Murphy no requiere ningún componente ferromagnético y elimina la diafonía del campo magnético.
"Debido a que la inductancia cinética aumenta con la disminución de las dimensiones de la sección transversal del cable, Los elementos de memoria SQUID de nanocables podrían reducirse aún más, en el rango de decenas de nanómetros, "Bezryadin continúa.
Los investigadores argumentan que este dispositivo puede funcionar con una disipación de energía muy baja, si las energías de dos estados binarios son iguales o casi iguales. El modelo teórico para tales operaciones se desarrolló en colaboración con Averin. El cambio entre los estados de igual energía se logrará mediante tunelización cuántica o mediante procesos adiabáticos compuestos por múltiples saltos entre los estados.
En el trabajo futuro, Bezryadin planea abordar las mediciones del tiempo de conmutación y estudiar matrices más grandes de calamares de nanocables en funcionamiento como matrices de elementos de memoria. También probarán superconductores con temperaturas críticas más altas, con el objetivo de un circuito de memoria que funcione a 4 Kelvin. Se lograrán operaciones rápidas utilizando pulsos de microondas.
