Un transistor de proximidad de interferencia cuántica superconductor térmico

Imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de color falso de un T-SQUIPT típico. Un nanocable de Al (amarillo) se inserta en un anillo de Al (azul), mientras que un electrodo de metal normal (rojo) se acopla mediante un túnel a través de una fina capa de óxido hasta el centro del nanocable. Un conjunto de sondas de túnel superconductoras (amarillas) se acoplan al electrodo de metal normal y sirven como calentadores locales y termómetros. Crédito:Ligato et al.

Los superconductores son materiales que pueden alcanzar un estado conocido como superconductividad, en el que la materia no tiene resistencia eléctrica y no permite la penetración de campos magnéticos. A bajas temperaturas, estos materiales son conocidos por ser aislantes térmicos altamente efectivos y, debido al llamado efecto de proximidad, también pueden influir en la densidad de estados de alambres metálicos o superconductores cercanos.

Investigadores del Istituto Nanoscienze (CNR) y la Scuola Normale Superiore de Italia han desarrollado recientemente un transistor que aprovecha esta cualidad específica de los superconductores. Su transistor, denominado transistor de proximidad de interferencia cuántica superconductora térmica (T-SQUIPT), se presentó en un artículo publicado en Nature Physics. .

"Nuestro trabajo se encuentra en el marco de la caloritrónica de fase coherente que tiene como objetivo visualizar y realizar dispositivos capaces de dominar la transferencia de energía en diferentes arquitecturas de tecnología cuántica a nanoescala", dijo a Phys Francesco Giazotto, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. .org.

La idea principal detrás de T-SQUIPT, el transistor desarrollado por Giazotto y sus colegas, es ajustar las propiedades térmicas de un metal o superconductor controlando sus características espectrales, a través del llamado efecto de proximidad superconductor. Esencialmente, el transistor explota la fase cuántica superconductora macroscópica para controlar la densidad de estados en un metal en la proximidad del superconductor, modulando así sus propiedades de transporte térmico.

"T-SQUIPT fue propuesto teóricamente por primera vez por algunos de los autores de nuestro artículo reciente hace varios años, aunque todavía no se ha concretado", dijo Giazotto. "Nuestra implementación del T-SQUIPT explota un nanocable superconductor largo como elemento próximo, lo que nos permite demostrar la posibilidad de ajustar la fase de las propiedades de transporte térmico de un superconductor y también realizar la primera celda de memoria térmica".

Se sabe que los metales normales son buenos conductores tanto de la electricidad como del calor, ya que pueden permitir que los electrones contenidos en sus cristales transfieran calor y carga. Por el contrario, mientras que los superconductores son buenos conductores eléctricos (es decir, muestran resistencia cero), son malos conductores térmicos, ya que los principales "portadores libres" en sus cristales son pares de Cooper. Los pares de Cooper son pares de electrones cargados que no pueden transferir calor, ya que no tienen disipación por naturaleza.

"El concepto central de T-SQUIPT es una isla nanoscópica de aluminio (Al) que se puede hacer superconductora o similar a un metal normal con interferencia cuántica inducida por dos cables superconductores que definen un anillo y se colocan en buen contacto metálico con la isla". explicó Giazotto.

"Para valores enteros del cuanto de flujo que perfora el bucle superconductor, la superconductividad se refuerza y la isla se comporta como un buen aislante térmico. Para valores semienteros del cuanto de flujo, la superconductividad se suprime idealmente y la isla se comporta como un buen conductor térmico. ."

Este diseño único, presentado por primera vez por los investigadores en un artículo publicado en 2014, les permite suprimir o reforzar la superconductividad en su transistor a voluntad, simplemente aplicando un campo magnético externo. Como resultado, la conductividad térmica de la isla de aluminio en el transistor se puede manipular por completo, lo que la convierte en la llamada válvula térmica.

Como parte de su estudio reciente, Giazotto y sus colegas demostraron esta capacidad de su transistor al hundir el calor de un electrodo metálico en él, que también estaba acoplado a la isla de aluminio a través de un contacto de túnel. En general, sus hallazgos demuestran la viabilidad de manipular con coherencia de fase las cualidades de transporte de energía de los dispositivos cuánticos.

"T-SQUIPT abre el camino a la realización de estructuras donde el control del transporte de calor permite visualizar y realizar las contrapartes térmicas de los dispositivos electrónicos, como transistores térmicos, memorias, puertas lógicas y motores termoeléctricos", dijo Giazotto. "Desde un punto de vista fundamental, nuestro método también demuestra la posibilidad de investigar modos cuánticos sin carga en sistemas de estado sólido, como los estados ligados de Majorana y los parafermiones, que no pueden detectarse mediante técnicas de transporte de carga convencionales".

En el futuro, el transistor T-SQUIPT podría allanar el camino hacia la realización de una variedad de nuevos dispositivos. El artículo reciente también mejora la comprensión actual de la transferencia de energía a nanoescala, lo que podría mejorar su gestión.

En el futuro, el trabajo reciente de Giazotto y sus colegas podría inspirar nuevos estudios que investiguen las propiedades termodinámicas cuánticas en nanosistemas superconductores. En sus próximos estudios, el equipo del Istituto Nanoscienze (CNR) y la Scuola Normale Superiore intentarán mejorar el rendimiento de T-SQUIPT mejorando el diseño de la válvula térmica y utilizando materiales superconductores que permitan su uso a temperaturas de unos pocos Grados Kelvin.

"También planeamos estudiar la respuesta temporal de la celda de memoria para investigar su tiempo de escritura/borrado y su capacidad para retener los datos codificados durante varios días", agregó Giazotto. "Esto representaría el próximo paso crucial para una implementación práctica de la computación térmica y las arquitecturas de lógica de memoria". + Explora más