Samtidigt närmar sig den kiselbaserade elektroniken sina gränser. Den stora resistiviteten hos halvledartransistorer och sammankopplingar i nanoskala hindrar drifthastigheten och orsakar allvarliga problem med värmehanteringen.

För att den nuvarande digitaliseringstrenden ska bli hållbar krävs radikala innovativa lösningar. Utvecklingen av supraledande elektronik kan leda till ett genombrott för framtida beräkningstekniker. Stora framsteg inom supraledande kvantberäkningar har nyligen uppnåtts. Praktiska beräkningar görs dock idag på en klassisk dator och kraven på digital beräkningskapacitet ökar explosionsartat.

Resistivitet orsakar principiella begränsningar för halvledarelektronik. Den begränsar både drifthastigheten (som bestäms av RC-tidskonstanten) och skapar problem med värmehanteringen i VLSI-kretsar (Very Large Scale Integration).

Dessa hinder kan undanröjas genom att övergå till supraledare med noll resistans. Den maximala arbetsfrekvensen för SC-elektronik bestäms av energigapet, som kan överstiga 10 THz i högtemperatursupraledare. För stora dataanläggningar skulle en övergång från halvledare till supraledare drastiskt kunna förbättra både energieffektiviteten (med en storleksordning) och beräkningshastigheten (med flera storleksordningar). Sådana perspektiv återuppväckte intresset för en klassisk supraledande dator.

Digital SC-elektronik har en lång historia. RSFQ-arkitekturen (Rapid-single- flux-quantum) utvecklades för nästan ett halvt sekel sedan. Den bygger på lagring och hantering av flödeskvantumet, Φ0, i supraledande kvantinterferensanordningar (SQUIDs). Nb-baserad RSFQ-elektronik kan arbeta vid frekvenser under THz, vilket är två storleksordningar snabbare än moderna datorer.

RSFQ har dock ett stort problem med skalbarheten. Den ström som behövs för att introducera Φ0 bestäms av induktansen, Λ, hos SQUID-loopen, I = Φ0/Λ. Vid miniatyrisering minskar Λ och driftströmmen ökar omvänt proportionellt mot storleken. RSFQ är därför inte kompatibel med VLSI-tekniken. Den största flaskhalsen för supraledande digital elektronik är avsaknaden av ett tätt RAM-minne (random access memory). Det senaste RSFQ RAM-minnet har ett fotavtryck på ∼ 100 μm2 per bit. Stora storlekar orsakar betydande fördröjningstider.

I själva verket begränsas RSFQ-hastigheten av fördröjningstider snarare än av energigapet. Nya metoder behövs för att bygga en VLSI-kompatibel supraledande elektronik.

I det nyligen publicerade arbetet "Word and bit line operation of a 1x1 μm2 superconducting vortex-based memory" har forskare från gruppen Experimental Condensed Matter Physics vid Fysikum demonstrerat prototyper av nya vortexbaserade supraledande minnesceller. Huvudidén är att använda en kvantiserad Abrikosov-virvel som informationsbärare. Vortex är det minsta magnetiska objektet i supraledare med storlekar ner till 10-100 nm, vilket underlättar miniatyrisering av celler till nm-skala. Tre huvudresultat erhölls.

För det första har skalbarheten hos vortexbaserade celler testats och det visade sig att sådana celler enkelt kan miniatyriseras till submikronstorlekar. För det andra betonades vikten av medveten geometrisk konstruktion av celler: sådana celler är i huvudsak fluxoniska kvantprickar, för vilka geometrin spelar en avgörande roll. I de studerade enheterna har forskarna introducerat ett asymmetriskt lätt spår för virvelrörelse och har visat att det möjliggör en kontrollerbar manipulation av virveltillstånd. Slutligen utfördes en detaljerad analys av ord- och bitlinjedrift i en 1 × 1 μm2 cell. Icke-flyktig drift med hög uthållighet vid noll magnetfält rapporterades.

Icke-flyktig drift med hög uthållighet vid noll magnetfält rapporterades. Anmärkningsvärt nog observerades att tröskelströmmen för den kombinerade ord- och bitlinjen var betydligt lägre jämfört med den rena ordlinjedriften. Detta kan avsevärt förbättra selektiviteten vid adressering av enskilda celler i ett RAM-minne med flera celler. Den uppnådda ytan på en kvadratmikron är en viktig milstolpe och ett betydande steg framåt mot skapandet av ett tätt kryogent minne, säger prof. Vladimir Krasnov.

Vänster panel: Svepelektronbild av en liten virvelbaserad minnescell. Den innehåller fyra Nb-elektroder som bildar ord- och bitlinjer, en liten supraledande ö med en artificiell virvelfälla, en Josephson-övergång för avläsning och ett enkelt spår för virveltransport till och från fällan. Höger panel: demonstration av cellens ord- och bitlinjedrift med hög uthållighet. Här skriver kombinerade WL+BL-strömimpulser en antivortex (-1) och en enda WL-puls raderar den (0).

Mer information

Word and bit line operation of a 1 × 1 μm2 superconducting vortex-based memory