Nanotechnológiával hatékonyabban vezethető az elektromos áram

2021-02-19 22:50:00
Az évtizedek óta tartó MIT-kutatás ihlette új technológia fellendítheti a kvantumszámítógépeket és más szupravezető elektronikai eszközöket.

A szupravezetők olyan anyagok, amelyek ellenállás nélkül vezetik az áramot, így makroszkopikus bepillantást engednek azokba a kvantumjelenségekbe, amelyek általában csak atomi szinten figyelhetőek meg. A fizikai sajátosságaikon túl a szupravezetőket hasznosítani lehet az orvosi eszközökben, a kvantumszámítógépekben és a teleszkópos kamerákban is. Azonban előállításuk nagyon költséges és a környezeti hatások befolyásolhatják a működésüket. Azonban ez megváltozhat a Karl Berggren által vezetett kutatócsoport munkájának köszönhetően.

A kutatók olyan szupravezető nanohuzalt fejlesztenek, amely hatékonyabban vezetné az elektromos áramot.

A legtöbb fém elveszíti az ellenállását alacsony hőmérsékleten és szupravezetővé válik. Ezért az 1960-as években elkezdték elválasztani a szupravezetőket egy vékony szigetelővel, melyet Josephson-csomópontnak neveznek, és lényegében ez vezetett a hagyományos szupravezető elektronikához, majd végül a szupravezető kvantum számítógépekhez. A Josephson-csomópont azonban meglehetősen kényes tárgy, költséges az előállítása és nem biztos, hogy kompatibilis lesz más, hagyományos elektronikai elemekkel. Ezen hátrányok leküzdése érdekében fejleszti ki Berggren és csapata az új technológiát – a szupravezető nanohuzalt, melynek gyökerei valójában régebbre nyúlnak vissza, mint a Josephson-csomópontnak.

1956-ban az MIT villamosmérnöke, Dudley Buck közzétette a kriotron nevű szupravezető számítógépes kapcsolóról szóló írását. A leírt készülék alig volt több két szupravezető drótnál – az egyik egyenes volt, a másik meg köré volt tekerve. A kriotron pedig kapcsolóként működött, mert amikor az áram a tekercselt huzalon keresztül áramlott, akkor a mágneses tere csökkentette az egyenes vezetéken átáramló áramot. Abban az időben a kriotron sokkal kisebb volt, mint bármely más számítógépes kapcsoló, és Buck azt remélte, hogy ezek a számítógépek építőelemeivé válhatnak. Azonban Buck 1959-ben, 32 éves korában tragikus hirtelenséggel elhunyt és ez megállította a kriotron fejlődését. 

Most Berggren folytatja Buck munkáját a szupravezető számítógépes kapcsolókról, és Buck tiszteletére nano-kriotronnak nevezte el a nanohuzalos technológiát – bár ez már sokban különbözik az eredeti tervektől. Például a nano-kriotron nem mágneses mezőt, hanem hőt használ a kapcsoló aktiválására. Berggren készülékében ezért az áram egy túlhűtött vezetéken fut, amelyet „csatornának” neveznek, és ezt a csatornát egy még kisebb, úgynevezett „fojtó” vezeték keresztezi. A folyamat pedig úgy néz ki, hogy amikor az áramot a fojtószelepen keresztül küldik, akkor annak a szupravezetése felmelegszik. Amint ez a hő átterjed a fojtóról a főcsatornára, a főcsatorna szintén elveszíti a szupravezető állapotát.

A kutatócsoport sikeresen bemutatta már azt is, hogy a koncepció a valóságban is. Az eszköz nano-kriotronokat használt bináris számjegyek hozzáadásához. Így sikeresen létre is jött a kapcsolat a szupravezető eszközök és a klasszikus, tranzisztor alapú elektronika között. Berggren szerint a nanohuzal egy nap majd felveheti a versenyt a Josephson-csomóponttal, ugyanis ezek könnyen elkészíthetőek és számos előnnyel járnak a gyárthatóság szempontjából is. Reméli, hogy egyszer otthont találnak ezek a szupravezetők a kvantumszámítógépekben és a teleszkópos elektronikai eszközökben is.

A konkrét felhasználás mellett Berggren tágan szemléli a szupravezető nanohuzalokkal kapcsolatos munkáját:

„Itt egy alapkutatást végeztünk, mely sikeresnek bizonyult. Azonban nem csak a felhasználás érdekel minket, hanem az is, hogy milyen további dolgokat rejteget számunkra a számítástechnika? Szeretnénk tudni, hogy milyen kiaknázatlan, felfedezetlen lehetőségeket tartogat még magában ez a tudományág.”

A cikk szerzője Blősz Dalma