Логические устройства используются в компьютерах и другой электронной технике. Один из важных показателей во всех логических устройствах — количество энергии, выделяемое на одну операцию. Чем ниже выделение тепла, тем выше энергоэффективность устройства. Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) с коллегами смогли достигнуть самого маленького энерговыделения из возможных на вычислительных устройствах и устройствах памяти.
Фото: Эмин Джафаров, Коммерсантъ
Фото: Эмин Джафаров, Коммерсантъ
Ученые исследовали сверхпроводящее устройство, состоящее из ниобия и меди и обнаружили, что при определенных условиях в нем можно создавать управляемые состояния. Результаты исследования могут лечь в основу принципиально нового направления в реализации сверхпроводящих логических устройств.
Основная цель изучения сверхпроводящих структур — это создание устройств, которые могут работать практически без выделения тепла. В этом смысле, говорят ученые, сверхпроводники выглядят очень перспективно, так как проводят ток совсем без сопротивления. Остается один вопрос: как при отсутствии сопротивления создать логическое устройство, потому что именно наличие возмущения определяет событие, которое принимается за 0 или 1 в логическом устройстве. В транзисторах — основных элементах электронной техники — таким возмущением стало наличие или отсутствие напряжения.
«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»,— рассказывает директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ
Фото: Анастасия Максименко, пресс-служба МФТИ
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ
Фото: Анастасия Максименко, пресс-служба МФТИ
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, амплитуда и фаза резонанса меняются, поскольку происходит некоторая диссипация энергии, которую мы и фиксировали таким образом»,— комментирует эксперимент Василий Столяров.
Схема джозефсоновских контактов, используемая в эксперименте
Фото: Nano Letters
Схема джозефсоновских контактов, используемая в эксперименте
Фото: Nano Letters
В продолжение этой работы ученые 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 зарубежных стран.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда. Проект также реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030», которая является одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».
Использованы материалы статьи.