Un transistor de proximité d’interférence quantique supraconducteur thermique

Image de microscopie électronique à balayage (SEM) en fausses couleurs d’un T-SQUIPT typique. Un nanofil Al (jaune) est inséré dans un anneau Al (bleu), tandis qu’une électrode en métal normal (rouge) est couplée par tunnel à travers une fine couche d’oxyde au milieu du nanofil. Un ensemble de sondes tunnel supraconductrices (jaunes) sont couplées à l’électrode en métal normal et servent de radiateurs locaux et de thermomètres. Crédit : Ligato et al.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui peuvent atteindre un état appelé supraconductivité, dans lequel la matière n’a pas de résistance électrique et ne permet pas la pénétration de champs magnétiques. A basse température, ces matériaux sont connus pour être des isolants thermiques très efficaces et, en raison de l’effet dit de proximité, ils peuvent également influencer la densité d’états des fils métalliques ou supraconducteurs à proximité.

Des chercheurs de l’Istituto Nanoscienze (CNR) et de la Scuola Normale Superiore en Italie ont récemment développé un transistor qui tire parti de cette qualité spécifique des supraconducteurs. Leur transistor, surnommé un transistor de proximité d’interférence quantique supraconducteur thermique (T-SQUIPT), a été présenté dans un article publié dans Physique naturelle.

“Notre travail s’inscrit dans le cadre de la caloritronique à cohérence de phase qui vise à imaginer et réaliser des dispositifs capables de maîtriser le transfert d’énergie dans différentes architectures de technologie quantique à l’échelle nanométrique”, a déclaré Francesco Giazotto, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys .org.

L’idée principale derrière T-SQUIPT, le transistor développé par Giazotto et ses collègues, est d’ajuster les propriétés thermiques d’un métal ou d’un supraconducteur en contrôlant ses caractéristiques spectrales, grâce à ce que l’on appelle l’effet de proximité supraconducteur. Essentiellement, le transistor exploite la phase quantique supraconductrice macroscopique pour contrôler la densité d’états dans un métal à proximité du supraconducteur, modulant ainsi ses propriétés de transport thermique.

“T-SQUIPT a été proposé pour la première fois en théorie par certains des auteurs de notre récent article il y a plusieurs années, bien qu’il n’y ait pas encore de réalisation concrète”, a déclaré Giazotto. “Notre implémentation du T-SQUIPT exploite un long nanofil supraconducteur comme élément proche nous permettant ainsi de démontrer la possibilité d’accorder en phase les propriétés de transport thermique d’un supraconducteur et de réaliser également la première cellule de mémoire thermique.”

Les métaux normaux sont connus pour être de bons conducteurs d’électricité et de chaleur, car ils sont capables de permettre aux électrons contenus dans leurs cristaux de transférer de la chaleur et de se charger. En revanche, alors que les supraconducteurs sont de bons conducteurs électriques (c’est-à-dire présentant une résistance nulle), ils sont de mauvais conducteurs thermiques, car les principaux “porteurs libres” dans leurs cristaux sont des paires de Cooper. Les paires de Cooper sont des paires chargées d’électrons qui ne peuvent pas transférer de chaleur, car elles sont de nature sans dissipation.

“Le concept de base de T-SQUIPT est un îlot nanoscopique d’aluminium (Al) qui peut être rendu supraconducteur ou semblable à un métal normal avec une interférence quantique induite par deux conducteurs supraconducteurs définissant un anneau et placés en bon contact métallique avec l’îlot”, Giazotto a expliqué.

“Pour des valeurs entières du quantum de flux traversant la boucle supraconductrice, la supraconductivité est renforcée et l’îlot se comporte comme un bon isolant thermique. Pour des valeurs semi-entières du quantum de flux, la supraconductivité est idéalement supprimée, et l’îlot se comporte comme un bon conducteur thermique. .”

Cette conception unique, introduite pour la première fois par les chercheurs dans un article publié en 2014, leur permet de supprimer ou de renforcer à volonté la supraconductivité de leur transistor, simplement en appliquant un champ magnétique externe. En conséquence, la conductivité thermique de l’îlot en aluminium dans le transistor peut être entièrement manipulée, ce qui en fait une vanne dite thermique.

Dans le cadre de leur étude récente, Giazotto et leurs collègues ont démontré cette capacité de leur transistor en y absorbant la chaleur d’une électrode métallique, qui était également couplée à l’îlot en aluminium via un contact tunnel. Dans l’ensemble, leurs découvertes démontrent la faisabilité d’une manipulation cohérente en phase des qualités de transport d’énergie des dispositifs quantiques.

“T-SQUIPT ouvre la voie à la réalisation de structures où le contrôle du transport de chaleur permet d’envisager et de réaliser les homologues thermiques des dispositifs électroniques, tels que les transistors thermiques, les mémoires, les portes logiques et les moteurs thermoélectriques”, a déclaré Giazotto. “D’un point de vue fondamental, notre méthode démontre également la possibilité d’étudier les modes quantiques sans charge dans les systèmes à l’état solide, tels que les états liés de Majorana et les parafermions, qui ne pourraient pas être détectés par les techniques de transport de charge conventionnelles.”

À l’avenir, le transistor T-SQUIPT pourrait ouvrir la voie à la réalisation d’une variété de nouveaux dispositifs. Le document récent améliore également la compréhension actuelle du transfert d’énergie à l’échelle nanométrique, améliorant ainsi potentiellement sa gestion.

À l’avenir, les travaux récents de Giazotto et de ses collègues pourraient inspirer de nouvelles études sur les propriétés thermodynamiques quantiques dans les nanosystèmes supraconducteurs. Dans leurs prochaines études, l’équipe de l’Istituto Nanoscienze (CNR) et de la Scuola Normale Superiore tentera d’améliorer les performances de T-SQUIPT, en améliorant la conception de la vanne thermique et en utilisant des matériaux supraconducteurs qui permettent son utilisation à des températures de quelques Degrés Kelvin.

“Nous prévoyons également d’étudier la réponse temporelle de la cellule mémoire afin d’étudier son temps d’écriture/effacement et sa capacité à conserver les données codées pendant plusieurs jours”, a ajouté Giazotto. “Cela représenterait la prochaine étape cruciale pour une mise en œuvre pratique des architectures logiques de calcul thermique et de mémoire.”


Le transistor thermique quantique peut contrôler les courants de chaleur


Plus d’information:
Nadia Ligato et al, Transistor de proximité à interférence quantique supraconductrice thermique ; Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01578-z

E. Strambini et al, Nanovalve de proximité avec une grande conductance thermique accordable en phase, Lettres de physique appliquée (2014). DOI : 10.1063/1.4893759

© 2022 Réseau Science X

Citation: Un transistor de proximité à interférence quantique supraconductrice thermique (2022, 5 mai) récupéré le 6 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-thermal-superconducting-quantum-proximity-transistor.html

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