La supraconductivité est une propriété avantageuse observée dans certains matériaux, ce qui implique une résistance électrique de zéro à des températures extrêmement basses. Les supraconducteurs, les matériaux qui présentent cette propriété, se sont révélés très prometteurs pour le développement de divers composants électroniques pour les technologies classiques et quantiques.
Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de l'Université de Californie – Riverside et de Seeqc Inc. ont récemment introduit un nouveau système composé de quatre diodes supraconductrices (SDS), qui sont des dispositifs électroniques qui permettent au courant électrique de s'écouler dans une seule direction et sont fabriqués en matériaux supraconducteurs.
Leur pont de diode supraconducteur, introduit dans un article publié dans Nature électroniqueIl s'est avéré que l'on s'est avéré remarquablement bien à des températures cryogéniques, atteignant des efficacités de rectification pouvant atteindre 42% ± 5%.
« Nos travaux récents sur les diodes supraconductives nous ont inspiré à progresser pour répondre aux besoins technologiques », a déclaré au Dr. Mukhanov, le Dr Jagadeesh S. Moodera et le Dr Oleg A. Mukhanov, principal auteurs du journal. « Étant donné que nos SDS étaient déjà très efficaces, reproductibles et évolutifs, nous avons décidé de les exploiter pour les applications. Nous avons donc exploré des circuits utiles qui pourraient être fabriqués avec de tels SDS. »
Le Dr Ingla-Aynes et le Dr Moodera ont discuté de leurs plans pour développer des circuits en SDS avec le Dr Mukhanov, co-auteur du nouvel article et un pionnier dans le développement d'appareils supraconducteurs pour les ordinateurs classiques et quantiques. Au cours de leur discussion avec le Dr Mukhanov, ils ont appris que la conversion des courants CA en courants CC à des températures cryogéniques est une exigence de tous les circuits cryogéniques et serait nécessaire pour les systèmes logiques supraconduants à l'échelle supérieure à l'échelle DC.
« Nous nous sommes ainsi mis à faire des redresseurs supraconducteurs à ondes complètes capables de l'effectuer pour une prestation de puissance efficace », a expliqué les principaux auteurs de l'article. «Les ponts SD que nous avons développés sont modélisés en couches de films ultra-surhin fabriquées par des techniques d'évaporation sous vide ultra-élevée pour atteindre une qualité optimale.
« Ces films ont deux couches importantes: un supraconducteur et un isolant ferromagnétique. Après avoir atténué les couches pour les appareils de taille micrométrique utilisant des techniques de nanofabrication standard, l'isolateur ferromagnétique crée des champs errants sur les bords qui aident à faire fonctionner nos diodes supraconductrices efficacement. »
Étant donné que l'objectif clé de leur article était de développer un circuit de redresseur à ondes complètes, les chercheurs ont d'abord dû augmenter les performances de leur SDS. Pour ce faire, ils ont conçu les diodes avec des bords asymétriques et leur ont appliqué un petit champ magnétique hors du plan.
« Cette approche a abouti à un pont composé de quatre SD presque identiques et très efficaces qui sont tous modelés sur le même film supraconducteur, y compris les bandes supraconductrices utilisées comme électrodes, quelque chose de crucial pour améliorer son efficacité », ont déclaré les auteurs.
« L'avantage unique de notre conception de circuit de redresseur SD est qu'il permet de placer quatre diodes supraconductrices très efficaces dans un circuit de redresseur à ondes complètes, ce qui n'était pas possible auparavant. Nous avons montré son fonctionnement pour le courant d'entrée jusqu'à des fréquences élevées. »
Après leur conception de diodes améliorée, les chercheurs ont créé un circuit de redresseur SD très efficace. Dans un test initial, ce circuit a pu convertir efficacement les courants CA en signaux CC à des températures d'hélium liquide (par exemple, celles atteintes en utilisant des techniques de réfrigération à cycle fermé).
« Notre travail a des applications directes pour alimenter la logique supraconductrice et les circuits quantiques biaisés à CC et permet donc facilement leur opération de mise à l'échelle, a ainsi l'application pratique la plus pertinente », a expliqué les auteurs.
« De tels circuits sont également utilisés pour contrôler les ordinateurs quantiques; l'introduction de redresseurs sur puce devrait aider à augmenter la miniaturisation, la réduction de la consommation d'énergie et le bruit électromagnétique pour la cohérence du signal de ces systèmes. »
Ce travail récent du Dr Ingla-Aynes, du Dr Moodera, du Dr Mukhanov et de leurs collègues pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'avancement futur d'un large éventail de technologies quantiques. Le pont SD et le circuit de redresseur qu'ils ont développé pourraient bientôt être améliorés et intégrés dans divers appareils quantiques, y compris des ordinateurs quantiques et des détecteurs quantiques sophistiqués utilisés pour rechercher des matières noires.
« Nous voulons maintenant ramener le fonctionnement efficace des SDS et des redresseurs à zéro champ magnétique », a ajouté les auteurs. « Ce serait une étape importante vers l'intégration avec les circuits supraconducteurs. Les jonctions SDS et Josephson intégrées dans un circuit permettra de nouvelles fonctionnalités et réduiront la consommation globale d'énergie du traitement et du stockage des données. Il existe d'autres idées critiques pertinentes que nous recherchons également. »
