Ultrasnelle supergeleidende elektronica

Met supergeleidende elektronica zijn hele hoge schakelsnelheden haalbaar, die in principe dataverwerking met enkele honderden Gigahertz mogelijk maken. De schakeling die de Twentse en Duitse onderzoekers hebben gemaakt is een flip-flop: een schakelelement met een intern geheugen.

In deze structuur wordt de informatie opgeslagen in de vorm van de richting van een magneetveld, dat spontaan wordt gevormd in ringvormige verbindingen tussen de hoge-temperatuur supergeleider YBa₂Cu₃O₇ en de klassieke supergeleider Nb. Deze magneetvelden, ter grootte van zogeheten 'halve-fluxquanta', ontstaan door de elementaire verschillen tussen deze twee supergeleidende materialen.

In eerdere publicaties in Nature (2003) en Nature Physics (2006) werden fundamentele aspecten van dit effect reeds door onderzoekers van de Universiteit Twente beschreven. Nu zijn de ringetjes ingebouwd in elektronische schakelingen, en kan de oriëntatie van de halve-fluxquanta gecontroleerd worden omgeklapt bij elke elektronische puls die aan de ingang van de schakeling wordt aangeboden. De toestand van de flip-flop kan worden uitgelezen door een supergeleidende magneetveldsensor (SQUID) in de schakeling te integreren. Tevens kan de flip-flop zelf weer een puls afgeven naar een volgend elektronisch element, waardoor het mogelijk wordt complexe circuits te realiseren.

Een interessant aspect van de supergeleidende elektronica, die werkt volgens de principes van de 'Rapid Single Flux Quantum'-architectuur, is de mogelijkheid van hele hoge schakelsnelheden. Daarmee moet in principe dataverwerking met enkele honderden Gigahertz mogelijk zijn. In deze architectuur was het tot nu toe nodig om voor elk geheugenelement apart een nauwkeurig bepaalde elektrische stroom aan te leggen, teneinde de twee toestanden ('0' en '1') te realiseren.

De nieuwe schakeling heeft deze tweevoudige toestand van zichzelf en dus is de extra aangelegde stroom niet nodig. Daarnaast laat het gebruik van deze schakelingen een veel grotere tolerantie toe in allerlei ontwerpparameters dan de klassieke technologie. Het vervolg op het huidige onderzoek zal zich vooral richten op de hoogfrequente eigenschappen van deze schakelingen en op de realisatie van complexere structuren.

Het onderzoek aan de Universiteit Twente is mede gefinancierd door NWO (Vidi-subsidie voor professor Hans Hilgenkamp), de Stichting FOM, het NanoNed-programma en de European Science Foundation (ESF).

Het onderzoek beschreven in het artikel 'Flip-Flopping Fractional Flux Quanta', is uitgevoerd door Th. Ortlepp⁽¹⁾, Ariando⁽²⁾, O. Mielke⁽¹⁾, C.J.M. Verwijs⁽²⁾, K. Foo⁽²⁾, H. Rogalla⁽²⁾, F.H. Uhlmann⁽¹⁾ en H. Hilgenkamp⁽²⁾.  De auteurs aangeduid met (1) zijn werkzaam aan de Technische Universiteit van Ilmenau in Duitsland, en de auteurs aangeduid met (2) bij de Faculteit Technische Natuurwetenschappen en het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Ariando en Verwijs zijn FOM-oio.

Meer informatie bij prof.dr. Hans Hilgenkamp, leerstoel Condensed Matter Physics & Devices (vakgroep Lage Temperaturen, faculteit TNW Universiteit Twente), tel. (053) 489 28 06 of (053) 489 38 41.