Equipe desenvolve novos cristais supercondutores híbridos (team develops new superconducting hybrid crystals)

A interface entre o semicondutor e o metal é perfeita e estabelece os novos cristais híbridos supercondutores, que pode finalmente formar a base para os futuros supercondutores eletrônicos. Crédito: Instituto Niels Bohr

Um novo tipo de cristal de nanofios que combina materiais semicondutores e metálicos em escala atômica pode lançar as bases para futuros semicondutores eletrônicos. Pesquisadores da Universidade de Copenhagen estão por trás do avanço, que tem um grande potencial.

        O desenvolvimento e qualidade de circuitos eletrônicos extremamente pequenos são fundamentais para quão bem os computadores do futuro e outros dispositivos eletrônicos funcionarão. O novo material, composto de um semicondutor e de metal, tem uma propriedade supercondutora especial a temperaturas muito baixas e pode desempenhar um papel central no desenvolvimento da futura eletrônica.

        “Nosso novo material nasceu como um híbrido entre um nanofio semicondutor e seu contato eletrônico. Assim, inventamos uma maneira de fazer uma transição perfeita entre o nanofio e um supercondutor. O supercondutor, neste caso, é de alumínio. Há um grande potencial neste”, diz o professor Thomas Jespersen, que tem trabalhado no assunto por mais de 10 anos.

Nanofio e contato formado ao mesmo tempo

        Nanofios são fios de nanocristais extremamente finos utilizados no desenvolvimento de novos componentes eletrônicos, como transistores e células solares. Parte do desafio de trabalhar com nanofios é a criação de uma boa transição entre esses nanofios e um contacto elétrico com o mundo exterior. Até agora, pesquisadores de todo o mundo têm cultivado os nanofios e o contato separadamente. No entanto, com a nova abordagem, tanto a qualidade como a reprodutibilidade do contato melhoraram consideravelmente.

Nanofios são fios de nanocristais extremamente finos utilizados no desenvolvimento de novos componentes eletrônicos, como transistores e células solares. Crédito: Instituto Niels Bohr

“Os átomos se acomodam em uma estrutura perfeitamente ordenada no nanofio cristalino, não só no semicondutor e no metal, mas também na transição entre os dois componentes muito diferentes, o que é significativo em si mesmo. Pode-se dizer que é o limite final que se poderia imaginar para o quão perfeito uma transição entre um nanofio cristalino e um contato. Claro que isso abre muitas oportunidades de fazer novos tipos de componentes eletrônicos em nanoescala e, em particular, isto significa que podemos estudar as propriedades elétricas com uma precisão muito maior do que antes”, explica o professor Peter Krogstrup, que tem trabalhado duro no laboratório para desenvolver o contato.

Chips com bilhões de nanofios híbridos

Em sua publicação na revista Nature Materials, o grupo de pesquisa tem demonstrado esse contato perfeito e suas propriedades e também tem mostrado que eles podem fazer um chip com bilhões de nanofios híbridos idênticos de semicondutor-metal.

        “Nós pensamos que esta nova abordagem poderia finalmente formar a base para futuros eletrônicos supercondutores, e é por isso que a pesquisa em nanofios é interessante para as maiores empresas de eletrônicos”, diz Thomas Jespersen. Os pesquisadores possuem estreita colaboração em pesquisa com a Microsoft.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-team-superconducting-hybrid-crystals.html

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4176.html

Circuitos supercondutores viabilizados por nanofios (superconducting circuits, simplified)

Novo design do circuito poderia desbloquear o poder de chips de um computador supercondutor

Chips de computador com circuitos supercondutores seriam de 50 a 100 vezes mais eficientes que os chips atuais, uma característica atraente dado o crescente consumo de energia. Chips supercondutores também prometem dar maior poder de processamento: testes mostraram que circuitos supercondutores usando junções Josephson foram 500 vezes mais velozes que o chip do iPhone 6. Porém, chips contendo junções Josephson são grandes e difíceis de fazer e pior: eles usam correntes tão pequenas que os resultados de seus cálculos são difíceis de detectar.

Chip contendo o nTron que realizou o primeiro cálculo usando o novo circuito supercondutor. Foto: Adam N. McCaughan

        Porém, pesquisadores do MIT apresentaram um novo projeto de circuito que poderia tornar dispositivos supercondutores muito mais baratos de fabricar. E enquanto a velocidade dos circuitos provavelmente não estaria no topo dos chips atuais, poderia resolver o problema da leitura dos resultados dos cálculos realizados com junções Josephson.

Adam McCaughan, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica do MIT e o professor Karl Berggren - chamam seu dispositivo de nanocryotron. O cryotron foi um circuito de computação desenvolvido em 1950 pelo professor Dudley Buck. O cryotron foi brevemente objeto de grande interesse como a possível base para uma nova geração de computadores, mas foi superado pelo circuito integrado.

“Nós já usamos o nosso dispositivo em aplicações que serão altamente relevantes para o trabalho futuro de computação com supercondutores e comunicações quânticas”, diz McCaughan.

O laboratório de Berggren concentra-se em circuitos supercondutores feitos a partir de nitreto de nióbio, que tem a temperatura de funcionamento relativamente elevada, 16 K (-257 °C). Isso é possível com hélio líquido, o qual, num chip supercondutor, provavelmente circulará através de um sistema de tubos dentro de uma caixa isolada. Um sistema assim que emprega hélio líquido no resfriamento, naturalmente aumentaria o consumo de energia de um chip supercondutor. Mas uma vez que o ponto de partida é de cerca de 1% da energia requerida por um chip convencional, a economia ainda pode ser enorme. Além disso, computação com supercondutores permitiria aos centros de dados dispensarem os sistemas de refrigeração que atualmente mantém seus servidores livres de superaquecimento.

Circuitos supercondutores baratos também podem permitir a construção de detectores de um único fóton, um componente essencial de qualquer sistema de informação que explora os speedups computacionais prometidos pela computação quântica rentável.

Projetado como um T

O nanocryotron - ou nTron – consiste de uma única camada de nitreto de nióbio depositado sobre um isolante em um padrão que se parece mais ou menos com a letra maiúscula “T”. Mas onde a base do T junta-se à barra transversal, se reduz a um décimo de sua largura. Elétrons navegando livremente através da base do T são subitamente esmagado juntos, produzindo calor, que se irradia na barra transversal e destrói a supercondutividade do nitreto de nióbio.

        A corrente aplicada à base do T pode desligar uma corrente que flui através da barra transversal. Isso faz do circuito uma chave (disjuntor, comutador), o componente básico de um computador digital. Após a corrente na base ser desligada, a corrente na barra será retomada somente após a junção ser esfriada. Esse resfriamento não leva muito tempo. Mas os circuitos não são susceptíveis de superar o 1 gigahertz típico dos chips atuais. Ainda assim, eles podem ser úteis em aplicações onde a velocidade não é tão importante quanto a eficiência energética.

        A aplicação mais promissora, no entanto, pode ser tornar acessível o cálculo com junções Josephson. Junções Josephson usam correntes minúsculas que até agora têm exigido equipamentos de laboratório muito sensíveis para detectar. Elas não são fortes o suficiente para mover os dados para um chip de memória local, muito menos para enviar um sinal visual para um monitor de computador.

Em experimentos, McCaughan demonstrou que correntes ainda menores do que as encontradas em dispositivos de junção Josephson foram suficientes para mudar o nTron de condutor para um estado não condutor. E, enquanto a corrente na base do T pode ser pequena, a passagem de corrente através da barra transversal pode ser muito maior - grande o suficiente para transportar a informação a outros dispositivos em uma placa-mãe de computador.

        “Acho que este é um grande dispositivo”, diz Oleg Mukhanov, diretor de tecnologia da Hypres, uma empresa de eletrônica de supercondutores cujos produtos dependem de junções Josephson. “Nós estamos considerando seriamente o uso do nTron em memória. Há várias atrações deste dispositivo”, diz Mukhanov. “Primeiro, é muito compacto, porque afinal de contas, é um nanofio. Um dos problemas com junções Josephson é que elas são grandes. Se você compará-las com transistores CMOS, elas são apenas fisicamente maior. A segunda é que as junções Josephson são dispositivos de dois terminais. Transistores semicondutores são de três terminais, e isso é uma grande vantagem. Da mesma forma, nTrons são dispositivos de três terminais.”

        “Uma das características que também nos atrai é que planejamos integrá-lo com dispositivos spintrônicos magnetoresistivos, mRAM, memórias magnéticas de acesso aleatório, à temperatura ambiente. E uma das características destes dispositivos é que eles são de alta impedância. Eles estão na faixa de kilo-ohms, e se você olhar para junções Josephson, são apenas alguns ohms. Portanto, há um grande descompasso, o que torna muito difícil do ponto de vista de engenharia elétrica combinar esses dois dispositivos. NTrons são dispositivos de nanofios, por isso eles são de alta impedância também. Eles são naturalmente compatíveis com os elementos magnetoresistivos”, diz Mukhanov.

Fonte1: http://newsoffice.mit.edu/2014/cheaper-superconducting-computer-chips-1017


Fonte2:  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl502629x

Qubits supercondutores de silício (superconducting-silicon qubits)

Exemplos de dispositivos quânticos supercondutores contendo silício. (esquerda) Um circuito supercondutor pode formar um qubit supercondutor ou um dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID). Correntes no circuito podem ser usadas para medir a intensidade de um campo magnético. As correntes de fluxo (em qualquer direção), também podem ser utilizadas para constituir um qubit. (centro) Separação dos fios supercondutores por um isolante, neste caso, o silício cristalino puro, forma uma junção Josephson. (direita) Precisamente colocado, regiões altamente dopadas dentro de semicondutores formam os fios supercondutores. Crédito: LPS

        Teóricos propuseram uma maneira de construir dispositivos supercondutores quânticos tais como junções Josephson e qubits, átomo por átomo, dentro de um cristal de silício. Tais sistemas poderiam combinar os aspectos mais promissores de qubits de spin de silício com a flexibilidade de circuitos supercondutores. Os resultados foram publicados na revista Nature Communications (clique aqui).

        Silício de alta qualidade é um dos fundamentos históricos da computação moderna. Mas também é promissor para a tecnologia da informação quântica. Elétrons e spins nucleares em cristais de silício puro foram medidos exibindo excelentes propriedades como qubits de longa duração, o equivalente a bits em computadores convencionais. Em um artigo publicado esta semana na revista Nature Communications, Yun-Pil Shim e Charles Tahan, da Universidade de Maryland e do Laboratório de Ciências Físicas, mostraram como qubits e dispositivos supercondutores podem ser construídos a partir de silício. A ideia é combinar as boas propriedades quânticas do silício com a flexibilidade de dispositivos supercondutores. Eles propõem o uso de técnicas de nano-fabricação “bottom-up” para construir regiões supercondutoras precisamente inseridas dentro de silício ou germânio e mostrar que esses “fios” podem ser usados para fazer junções supercondutoras tipo túnel e outros dispositivos úteis.

Qubits em supercondutores e semicondutores

        Circuitos supercondutores são extremamente personalizáveis e podem produzir dispositivos que vão desde sensores de campo magnético até circuitos lógicos clássicos. Também podem desempenhar um papel importante no processamento de informação quântica, onde eles podem ser usados ​​como uma plataforma para qubits, sistemas quânticos pequenos que residem em uma superposição de estados quânticos.

        Vários tipos de circuitos supercondutores têm sido utilizados para implementar qubits e portas lógicas quânticas com diferentes propriedades e usos potenciais. Por exemplo, em um tipo de circuito, a corrente pode fluir em qualquer dos dois sentidos. Estas alternativas constituem os dois estados superpostos necessários para o estabelecimento de um qubit. Os dois estados podem ser rotulados de “0” e “1”, em analogia com bits clássicos. Pulsos de microondas podem dirigir as transições entre os dois níveis que permitem portas lógicas quânticas.

        Em geral, os sistemas quânticos são objetos delicados e são suscetíveis ao ruído e outros fatores ambientais que diminuem o desempenho. Circuitos quânticos devem proteger qubits de interferência externa durante o tempo que o cálculo prosseguir. Apesar do rápido progresso na qualidade dos qubits supercondutores (vida superior a 100 microssegundos), as taxas de erro ainda são limitadas pela perda nos metais, isolantes, substratos e interfaces que compõem os dispositivos supercondutores heterogêneos.

Qubits de spin são exemplos de qubits feitos no estado sólido. O spin é uma propriedade quântica de partículas como o elétron; físicos muitas vezes pensam a rotação de um elétron como sendo um pequeno ímã, que irá, naturalmente, apontar na direção de um campo magnético aplicado. Aqui, os estados e os 1 0 correspondem às duas possíveis orientações do spin do elétron, para cima ou para baixo. Uma vez que a rotação é naturalmente dissociada da carga em alguns sistemas (ou seja, as informações armazenadas na direção do spin não serão perdidas, movendo o elétron ou ser abalada por ruído elétrico), qubits de spin são candidatos promissores para um projeto robusto de qubit. Além disso, o uso de dispositivos semicondutores epitaxiais e a capacidade de mergulhar qubits de spin no fundo de um meio de semicondutores, longe de ruído em interfaces e superfícies, resultou em qubits que vivem por alguns segundos ou até mesmo horas, em algumas situações, muito mais do que qubits supercondutores.

Dispositivos práticos

Shim e Tahan propuseram a utilização das melhores características de qubits supercondutores e semicondutores. Eles pretendem fazer fios supercondutores e cruzamentos, a partir do qual qubits e sensores podem ser feitos, colocando (ou dopando) átomos receptores (como o boro ou alumínio, elementos que aceitam elétrons) em regiões específicas dentro do cristal de silício. Eles sugerem que uma técnica desenvolvida recentemente (litografia de hidrogênio STM), pode ser usada para fazer exatamente isso. Lançado pela Michelle Simmons, da Universidade de New South Wales, uma ponta do microscópio de varredura por tunelamento (STM) é usada para remover seletivamente os átomos de hidrogênio na superfície do silício (ou germânio). A dopagem de gás, tais como a fosfina, pode então ser introduzida, permitindo a inserção seletiva de impurezas com precisão atômica. “Se os átomos aceitadores podem ser colocados em densidade suficiente sobre camadas, então regiões supercondutoras podem ser fabricadas dentro do silício e, em seguida, encapsulada com silício cristalino,” diz o Dr. Shim. Um em cada quatro átomos de silício foram substituídos dessa maneira. Geralmente, quanto maior a densidade de dopante, maior será a temperatura crítica supercondutora. Os cientistas aprenderam cerca de 10 anos atrás que o silício pode ser supercondutor quando dopado com densidade suficiente de átomos aceitadores, como o boro. Nos últimos anos, a qualidade desses sistemas de silício supercondutores tem melhorado muito, produzindo material supercondutor com temperaturas críticas próximas de 1 K e ainda deixando o cristal em boas condições (em outras palavras, ainda é de silício). Ao calcular as propriedades dessas regiões supercondutoras-semicondutoras, Shim e Tahan mostram que os fios com temperatura crítica suficiente podem ser construídos com a abordagem ‘bottom-up’ de litografia de hidrogênio.

Finalmente, eles mostram que os tipos de qubits supercondutores observados em amostras de metal podem ser construídos no sistema de silício, bem como fornecer as exigências geométricas necessárias para sua fabricação. “Há um esforço em curso para melhorar a qualidade da barreira epitaxial de tunelamento”, disse Charles Tahan, “mas nenhum trabalho anterior para fazer todo o dispositivo a partir de um único cristal semicondutor. Até onde sabemos, esta é a primeira proposta sobre a viabilidade do silício para junções Josephson e qubits. Também estou animado sobre o potencial desses sistemas para outros dispositivos, como sensores e detectores de partículas.”

Além da possibilidade de circuitos supercondutores construídos dentro de um cristal homogêneo de silício, dispositivos supercondutores-semicondutores como estes poderiam ser utilizados para construir outros tipos de sistemas quânticos exóticos de muitos corpos em escala atômica, e até mesmo atuar como banco de testes para a nossa compreensão da supercondutividade.

Fonte: http://phys.org/news/2014-07-superconducting-silicon-qubits-bottom-up-approach-hybrid.html