Сверхпроводниковый суперкомпьютер

Сверхпроводниковый суперкомпьютер. Тенденции развития современных компьютеров легко наблюдаемы, их материальная база развивается в основном в сторону увеличения быстродействия и степени интеграции числа элементов памяти, логики и т.д. на единицу площади чипа. В большинстве компьютеров используется двоичная система счисления, в которой имеются всего два числа нуль и единица. Обычно это означает отсутствие или наличие напряжения на выходе полупроводникового транзистора.

Использование полупроводниковой элементной базы в компьютерах имеет свои технические ограничения все труднее повышать быстродействие, уменьшать размеры, а также отводить лишнее тепло. При большой плотности размещения транзисторов даже при небольшом тепловыделении каждого из них общее количество тепла становится чрезмерным. Идея использования джозефсоновских переходов в качестве элементной базы компьютеров появилась уже довольно давно.

И если задача получения малых размеров переходов плотность упаковки и малого тепловыделения в сверхпроводящем состоянии тепло вообще не рассеивается довольно легко решается, то сверхвысокого быстродействия достичь долго не удавалось. Принципиально новое решение этой проблемы было впервые предложено в группе профессора К.К. Лихарева в МГУ. Для обработки и запоминания информации здесь используется квант магнитного потока, то есть нуль и единица - отсутствие или наличие в джозефсоновской ячейке одного кванта потока.

Логические элементы с джозефсоновскими переходами, в которых проводится квантование магнитного потока, называются квантронами. Расчеты и эксперименты показывают, что квантроны обладают очень высоким быстродействием, достигающим значений 1012 операций в секунду. Однако они не подчиняются традиционным правилам схемотехники и их следует применять в схемах нового типа. Здесь информация передается от одного элемента к другому с помощью кванта магнитного потока, поэтому обязательным условием является близкое расположение элементов.

Характерные расстояния, разделяющие при этом элементы, достигают величин порядка десятых долей микрона. Такие схемы выгодно применять, например, при создании регистров сдвига - устройств с передачей информации вдоль периодической структуры элементов логики, причем информация смещается на единичный период при введении или изъятии единичного кванта потока. Нестационарный эффект Джозефсона. Туннелирование куперовских пар при электрическом напряжении Мы рассматривали явления на туннельном контакте двух сверхпроводников с тонкой диэлектрической прослойкой, когда через него пропускают ток, меньший или равный критическому.

Теперь перейдем к случаю, когда ток превышает критический и на сверхпроводящем туннельном контакте появляется падение напряжения. Оказывается, приложение постоянного напряжения V приводит к тому, что такой переход начинает самопроизвольно генерировать переменный ток, частота которого w задается фундаментальным соотношением Джозефсона 3 Эта формула имеет совершенно ясную интерпретацию.

Действительно, если на туннельном переходе падает напряжение V, то электроны в одной из металлических обкладок будут обладать потенциальной энергией, большей на eV, чем электроны в другой. В сверхпроводящей обкладке ток переносится куперовскими парами, суммарный заряд которых 2е, а избыточная потенциальная энергия 2eV. В результате туннелирования сквозь диэлектрик электрон попадает в другую металлическую обкладку и должен каким-то образом уменьшить свою энергию, чтобы перейти в равновесное состояние, в котором находятся остальные электроны.

В обычном металле это произойдет вследствие возбуждения тепловых колебаний в кристаллической решетке. Путем таких столкновений избыточная энергия перейдет в тепло. Подобные столкновения приводят в металлах к электрическому сопротивлению, в сверхпроводнике же оно отсутствует. В нем куперовская пара не может отдать избыточную энергию решетке, пока эта энергия меньше - энергии связи пары. Единственный выход - отдать избыточную энергию 2eV в виде кванта электромагнитного излучения. Излучение электромагнитных волн при приложении к джозефсоновскому переходу напряжения происходит аналогично излучению света атомами.

Электрон в атоме, обладая избыточной энергией находясь в возбужденном состоянии, переходит на более низкий уровень энергии, также излучая квант света. Отличие в том, что электроны в атомах, как и в нормальных металлах, подчиняются статистике Ферми-Дирака и, если какое-либо состояние занято другим электроном, такой переход невозможен.

Куперовские пары подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, и для них нижний уровень энергии всегда неограниченно свободен. В этом смысле они напоминают скорее когерентные фотоны в излучении лазера. Частота джозефсоновской генерации довольно высока, отношение 2eh численно равно примерно 500МГцмкВ. Поэтому, когда напряжение равно, скажем, миллионной доле вольта, частота излучения соответствует диапазону ультракоротких радиоволн длина волны см. Надо сказать, что это излучение не так легко вывести из узкой щели между сверхпроводящими пленками, где оно генерируется. Да и мощность его очень мала. Поэтому экспериментальное обнаружение излучения Джозефсона было непростой задачей.

Тем не менее спустя всего лишь два года после опубликования статьи Джозефсона оно было обнаружено в Харьковском физико-техническом институте низких температур учеными И.М. Дмитренко, В.М. Свистуновым и И.К. Янсоном.

Легче всего наблюдать нестационарный эффект Джозефсона косвенным образом - по особенностям на вольт-амперных характеристиках контактов. Мы уже знаем, что, если через джозефсоновский переход пропускать ток, больший критического, напряжение на переходе и ток через него кроме постоянной составляющей будут иметь и переменную составляющую, частота которой определяется фундаментальным соотношением Джозефсона 3. Если теперь переход поместить во внешнее высокочастотное электромагнитное поле, то, если частота этого поля совпадает с частотой джозефсоновской генерации, должен возникнуть резонанс. Оказывается, он возникает не только при совпадении частот, но и когда частота джозефсоновской генерации кратна в целое число раз больше частоте внешнего поля. Действительно, вольт-амперная характеристика для усредненных значений тока и напряжения имеет вид ступенчатой кривой см. рис. 5. Расстояния по напряжению между ступеньками в точности равны. На возможность наблюдения таких ступенек указывал в своей работе Джозефсон, а обнаружены они были впервые американским ученым Шапиро, что явилось первым доказательством существования нестационарного эффекта Джозефсона.

Эти ступеньки так и называются - ступеньки Шапиро.

Рис. 5.Вольт-амперная характеристика джозефсоновского перехода а - без внешнего высокочастотного электромагнитного поля, б -высокочастотное поле включено