纳米线可以提供稳定的超导晶体管

超导体——一种无电阻导电的材料——是非凡的。它们提供了对量子现象的宏观一瞥，而量子现象通常只能在原子水平上观察到。超导体除了其物理特性外，还有很多用处。它们存在于医学成像、量子计算机和望远镜相机中。

但是超导设备可能很挑剔。通常，它们的制造成本很高，而且容易受到环境噪音的影响。多亏了电气工程和计算机科学系卡尔·伯格伦(Karl Berggren)团队的研究，这种情况可能会改变。

研究人员正在开发一种超导纳米线，它可以实现更高效的超导电子。伯格伦说，纳米线的潜在好处在于它的简单性。“说到底，它只是一根电线。”

抵抗是徒劳的

大多数金属在极低的温度下(通常只比绝对零度高几度)失去电阻并变成超导。它们被用来感知磁场，特别是在监测大脑活动等高度敏感的情况下。它们在量子计算和经典计算中都有应用。

在这些超导体的下面，有一种发明于20世纪60年代的装置，称为约瑟夫森结——本质上是由薄绝缘体隔开的两个超导体。伯格伦说:“这就是传统超导电子学，然后最终是超导量子计算机的原因。”

然而，伯格伦补充说，约瑟夫森结“从根本上来说是一个非常微妙的物体”。这直接转化为制造成本和复杂性，特别是对于后来的薄绝缘。基于约瑟夫森结的超导体可能也不能很好地与其他超导体合作:“如果你试图将它与传统的电子设备连接起来，比如我们手机或电脑上的那种，来自那些设备的噪音会淹没约瑟夫森结。所以，当你试图与外部世界互动时，缺乏控制大型对象的能力是一个真正的劣势。”

为了克服这些缺点，伯格伦正在开发一种新技术——超导纳米线，它的根比约瑟夫森结本身还要古老。

冷子管重新启动

1956年，麻省理工学院电气工程师达德利·巴克(Dudley Buck)发表了一篇关于超导计算机开关的描述，称为低温加速器(cryotron)。这个装置不过是两根超导电线:一根是直的，另一根绕在上面。低温加速器就像一个开关，因为当电流流过盘绕的导线时，它的磁场会减少流过直线导线的电流。

当时，低温加速器比真空管或晶体管等其他类型的计算开关要小得多，巴克认为低温加速器可以成为计算机的基石。但是1959年，32岁的巴克去世了，低温加速器的发展停止了。(从那时起，晶体管被放大到微观尺寸，如今构成了计算机的核心逻辑组件。)

现在，伯格伦正在重新点燃赛珍珠关于超导计算机开关的想法。他说:“我们正在制造的设备非常像低温冷冻机，因为它们不需要约瑟夫森结。”他将他的超导纳米线装置命名为纳米低温加速器，以向巴克致敬——尽管它的工作原理与最初的低温加速器略有不同。

纳米低温加速器使用热量来触发开关，而不是磁场。在伯格伦的装置中，电流通过一根称为“通道”的超导过冷导线。这条通道被一种更小的叫做“扼流圈”的电线所交叉——就像一条多车道的高速公路被一条支线所交叉。当电流通过扼流圈时，扼流圈的超导性就会失效并升温。一旦热量从扼流圈扩散到主通道，就会导致主通道也失去超导状态。

伯格伦的团队已经证明了纳米低温加速器作为电子元件的概念验证。伯格伦以前的学生亚当·麦考恩(Adam McCaughan)开发了一种装置，使用纳米低温加速器来添加二进制数字。伯格伦成功地利用纳米低温加速器作为超导器件和经典晶体管电子器件之间的接口。

伯格伦说，他的小组的超导纳米线有一天可以补充，或者可能与约瑟夫森结超导器件竞争。“电线相对容易制造，所以在可制造性方面可能有一些优势，”他说。

他认为纳米低温加速器有一天可以应用于超导量子计算机和望远镜的过冷电子设备。他说，电线功耗低，因此对于高耗能应用也很方便。“它可能不会取代你手机里的晶体管，但它能取代服务器群或数据中心里的晶体管吗?”这将产生巨大的影响。”

除了具体的应用，伯格伦对他在超导纳米线方面的工作有一个广泛的看法。“我们在这里做的是基础研究。当我们对应用程序感兴趣时，我们也对:有哪些不同的计算方式感兴趣?作为一个社会，我们一直专注于半导体和晶体管。但我们想知道那里还有什么。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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