Un nanocable superconductor (azul) con tres electrodos de puerta (rojo) colocados sobre un sustrato de silicio (gris). La aplicación de un voltaje de puerta al electrodo Vg1 da como resultado una transición del nanocable del estado superconductor al resistivo. La aplicación de una diferencia de voltaje entre los dos electrodos remotos Vg2 y Vg3 da como resultado un efecto similar, pero mediado por el sustrato de silicio. Arriba a la derecha:la corriente crítica (grande significa superconductora, cero significa resistiva) del nanocable en función de Vg1. En Vg1=0, el nanocable es superconductor, en Vg1<-5V y Vg1>5V, el nanocable es resistivo. En la parte inferior derecha:la corriente que fluye desde la puerta Vg1 al nanocable en una escala logarítmica. La región plana alrededor de Vg1=0 es el ruido de fondo de nuestra medición. Crédito:IBM, Ritter y otros (2022)
Los superconductores son materiales que pueden entrar en un estado sin resistencia eléctrica, a través del cual los campos magnéticos no pueden penetrar. Debido a sus interesantes propiedades, muchos científicos e ingenieros de materiales han estado explorando el potencial de estos materiales para una amplia gama de aplicaciones electrónicas.
Una ventaja clave de los superconductores es que pueden transportar señales eléctricas mientras evitan su disipación, lo que es particularmente útil cuando se desarrollan computadoras cuánticas. Sin embargo, controlar sus estados, como se hace comúnmente con la tecnología de semiconductores, hasta ahora ha resultado ser un desafío.
Hace unos años, un estudio sugirió que la superconductividad de los materiales superconductores podría activarse y desactivarse. Los investigadores de IBM Research en Zúrich han estado investigando más a fondo estos resultados, con la esperanza de explicar el mecanismo de conmutación revelado por este estudio anterior. Sus hallazgos se describieron recientemente en un artículo publicado en Nature Electronics .
"Los superconductores son, en primer lugar, metales, y los metales filtran los campos eléctricos externos de manera muy efectiva", dijeron a Phys.org Andreas Fuhrer y Fabrizio Nichele, dos de los investigadores que llevaron a cabo el estudio. "Este concepto fundamental, que se encuentra en todos los libros de texto de física, fue cuestionado por una publicación de 2018. En ese trabajo, los autores afirmaron haber activado y desactivado la superconductividad en un nanocable de titanio a través de campos eléctricos moderados aplicados por un electrodo de puerta cercano. "
Si se confirman, los hallazgos recopilados en 2018 por NEST y SPIN-CNR en Italia permitirían el desarrollo de tipos completamente nuevos de dispositivos electrónicos y de computación cuántica basados en superconductores. Hace unos años, se propusieron revelar el mecanismo físico microscópico que ocurre en los superconductores de tamaño nanométrico cuando hay campos eléctricos presentes.
En un artículo inicial publicado en 2021, los investigadores describieron algunos indicios iniciales sobre el posible origen de la superconductividad suprimida observada en los nanocables de titanio. Su nuevo estudio se basa en este documento y ofrece una explicación más detallada de los hallazgos recopilados por el equipo de NEST y SPIN-CNR.
"Nuestro trabajo anterior mostró que la supresión de la superconductividad siempre iba de la mano con pequeñas corrientes de fuga que fluían desde el electrodo de puerta hasta el nanocable", explicaron Fuhrer y Nichele. "Tales corrientes eran muy pequeñas (unos pocos pA o 0,000,000,000,001 amperios), por lo que podrían haber pasado desapercibidas en trabajos anteriores. Para nosotros, era razonable suponer que tal corriente sería responsable de interrumpir la superconductividad, ya que la energía de cada electrón transportado por la corriente era bastante grande (alrededor de 100 000 veces mayor que la energía de enlace que mantiene a los electrones en un metal en estado superconductor)".
Si bien su estudio anterior permitió que Fuhrer, Nichele y sus colegas tuvieran una idea del posible mecanismo que sustenta la supresión observada de la superconductividad, todavía carecía de una serie de ingredientes clave. El objetivo clave de su artículo reciente era ofrecer una explicación sólida y satisfactoria del fenómeno.
"Nuestros nuevos experimentos son completamente consistentes con nuestro primer trabajo, en el sentido de que mostramos nuevamente que las corrientes que se escapan de las puertas (no los campos eléctricos) son necesarias para suprimir la superconductividad en los nanocables metálicos", dijeron Fuhrer y Nichele. "Sin embargo, ahora también demostramos que la corriente no tiene que fluir necesariamente desde la puerta hasta el nanocable".
Un dispositivo similar al presentado anteriormente, pero con una zanja de 500 nm de profundidad en el sustrato. La zanja protege el nanocable de los fonones. Crédito:IBM, Ritter y otros (2022)
Los investigadores obtuvieron resultados similares cuando la corriente de electrones de alta energía salió del cable y cuando fluyó entre dos electrodos colocados cerca del nanocable (sin que ningún electrón llegara al nanocable). Estos resultados destacan el papel crucial del sustrato del material en la supresión de la superconductividad.
Los dispositivos que los investigadores utilizaron en sus experimentos se basan en una oblea de silicio cristalino. Este es el sustrato donde fluyen las corrientes de electrones de alta energía cuando se aplican altos voltajes entre los electrodos.
"A medida que los electrones, acelerados a alta energía por los grandes voltajes, se mueven en el silicio, golpean los átomos de silicio continuamente, transfiriendo su energía a vibraciones en la red cristalina (lo que los físicos llaman 'fonones')", explicaron Fuhrer y Nichele. "A diferencia de los electrones, los fonones viajan distancias muy largas en la red de silicio (varios micrómetros) y pueden perturbar fácilmente el estado superconductor en el nanocable metálico".
El trabajo reciente de Fuhrer, Nichele y sus colegas muestra que, a diferencia de los fotones, los fonones actúan como mediadores. Basándose en este hallazgo, el equipo creó un dispositivo de conmutación que consta de una zanja profunda grabada en un sustrato de silicio.
"La trinchera refleja los fonones generados en un lado y protege el nanocable, que persiste más tiempo en el estado superconductor", dijeron Fuhrer y Nichele. "Las vibraciones siempre están presentes en un cristal, cuanto mayor es la temperatura, más vibra el cristal. Sin embargo, los fonones que producimos en nuestros dispositivos tienen energías totalmente diferentes a las que resultan de un aumento de temperatura".
Cuando los investigadores llevaron a cabo sus experimentos a temperaturas por debajo de los 4 Kelvin, encontraron que los fotones producidos tenían una temperatura superior a los 100 Kelvin. Este hallazgo explica por qué los dispositivos de conmutación como el que desarrollaron tienen requisitos de energía muy bajos en comparación con los interruptores más convencionales.
En general, el trabajo reciente de Fuhrer, Nichele y sus colegas de IBM Research ofrece una explicación coherente y convincente de los resultados experimentales publicados por el equipo de NEST y SPIN-CNR en 2018, que antes no tenían explicación. En el futuro, su explicación podría ayudar a comprender mejor los superconductores, lo que podría permitir su uso para el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos.
"Nuestro estudio también contribuye a una nueva generación de dispositivos superconductores en los que un elemento metálico se puede cambiar de superconductor a resistivo de una manera muy rápida y eficiente", dijeron Fuhrer y Nichele. "Esto podría encontrar una aplicación inmediata en el campo de la computación cuántica, por ejemplo, en el área que involucra la electrónica de control que interconecta los bits cuánticos con las computadoras clásicas".
En su artículo, Fuhrer, Nichele y sus colegas también introdujeron un enfoque para generar electrones y fonones de alta energía bajo demanda. Se sabe que las partículas de alta energía, como los rayos cósmicos que golpean la Tierra desde el espacio exterior, afectan negativamente el funcionamiento de las computadoras cuánticas. En el futuro, por lo tanto, su enfoque también podría usarse para estudiar más a fondo los efectos de las excitaciones de alta energía en la tecnología cuántica.
“Nuestra principal actividad es la realización de bits cuánticos”, añadió. "En nuestros próximos artículos, nos gustaría combinar nuestro elemento de conmutación con un qubit e investigar qué tan cerca se puede colocar el interruptor para que se introduzcan nuevas funcionalidades sin los inconvenientes asociados a los fonones".
© 2022 Red Ciencia X Científicos descubren transición de fase cuántica en superconductores de cuprato presurizados
