Введение
Криотрон – это переключатель, работающий на основе сверхпроводимости. Криотрон работает по принципу, согласно которому магнитные поля разрушают сверхпроводимость. Это простое устройство состоит из двух сверхпроводящих проводов (например, тантала и ниобия) с разной критической температурой (Tc). Криотрон был изобретен Дадли Алленом Баком из Массачусетского технологического института, Лаборатории Линкольна. Как описал Бак, прямая проволока из тантала (с более низкой Tc) обернута проволокой из ниобия в однослойную катушку. Оба провода электрически изолированы друг от друга. Когда это устройство погружается в жидкий гелий, оба провода становятся сверхпроводящими и, следовательно, не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Тантал в сверхпроводящем состоянии способен проводить значительно больший ток, чем в нормальном состоянии. Теперь, когда ток проходит через катушку из ниобия (обернутую вокруг тантала), он создает магнитное поле, которое, в свою очередь, ослабляет (разрушает) сверхпроводимость танталовой проволоки и, следовательно, уменьшает величину тока, протекающего через танталовую проволоку. Таким образом, можно управлять током, протекающим по прямой проволоке, с помощью небольшого тока в катушечной проволоке. Можно рассматривать танталовую прямую проволоку как «затвор», а катушку из ниобия – как «управление». В статье Бака Юри Матисуо разработал версию криотрона, включающую Джозефсоновский переход, переключаемый магнитным полем от управляющего провода. Он также объяснил недостатки традиционных криотронов, в которых сверхпроводящий материал должен переходить между сверхпроводящим и нормальным состояниями для переключения устройства, и, следовательно, переключаться относительно медленно. Криотрон Матисуо переключался между проводящим состоянием, в котором происходило «парное туннелирование» электронов через затвор, и «резистивным» состоянием, в котором туннелировать могли только отдельные электроны. Схема (как и традиционный криотрон) была способна к некоторому усилению (то есть к коэффициенту усиления больше единицы) и имела скорость переключения менее 800 пикосекунд. Хотя необходимость криогенного охлаждения ограничивала его практичность, коммерческие транзисторы достигли сопоставимой производительности только в конце 2010-х годов. Периодически проявлялся возобновленный интерес к различным типам криотронов. В 1980-х годах IBM экспериментировала с их использованием для ограниченных приложений в суперкомпьютерах, и (по состоянию на 2020 год) проводились исследования их потенциальных применений как для ввода/вывода, так и для логики в прототипах квантовых компьютеров.
The cryotron is a switch that operates using superconductivity. The cryotron works on the principle that magnetic fields destroy superconductivity. This simple device consists of two superconducting wires (e. g. tantalum and niobium) with different critical temperature (Tc). The cryotron was invented by Dudley Allen Buck of the Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory. As described by Buck, a straight wire of tantalum (having lower Tc) is wrapped around with a wire of niobium in a single layer coil. Both wires are electrically isolated from each other. When this device is immersed in a liquid helium bath both wires become superconducting and hence offer no resistance to the passage of electric current. Tantalum in superconducting state can carry large amount of current as compared to its normal state. Now when current is made to pass through the niobium coil (wrapped around tantalum) it produces a magnetic field, which in turn reduces (kills) the superconductivity of the tantalum wire and hence reduces the amount of the current that can flow through the tantalum wire. Hence one can control the amount of the current that can flow in the straight wire with the help of small current in the coiled wire. We can think of the tantalum straight wire as a "gate" and the coiled niobium as a "control". The article by Buck
Juri Matisoo developed a version of the cryotron incorporating a Josephson junction switched by the magnetic field from a control wire. He also explained the shortcomings of traditional cryotrons in which the superconductive material must transition between superconducting and normal states to switch the device, and thus switch relatively slowly. Matisoo's cryotron switched between a conducting state in which 'pair tunneling' of electrons through the gate took place and a 'resistive' state where only single electrons were able to tunnel. The circuit was (like the traditional cryotron) capable of some amplification (i. e gain greater than unity) had a switching rate of less than 800 picoseconds. Although the requirement for cryogenic cooling limited its practicality, it wasn't until the late 2010s that commercial transistors came close to matching this performance. There have been periods of renewed interest in various types of cryotron. IBM experimented with using them for limited applications in supercomputers during the 1980s, and (as of 2020) there has been some investigation of their potential applications both to I/O and logic in prototype quantum computers.
Наследие
Криотрон принес Баку множество интервью с различными новостными агентствами в то время, а также международное научное признание. Хотя работы, связанные с криотроном, не пережили смерть Бака, многие из использованных техник исследования устройства впоследствии применялись в Intel и других компаниях-производителях микросхем, а также в исследованиях более современных и интерактивных компьютеров, особенно в MIT.