Photolithography-Compatible Three-Terminal Superconducting Switch for Driving CMOS Loads
यह शोध पत्र एक फोटोलिथोग्राफी-संगत, तीन-टर्मिनल सुपरकंडक्टिंग स्विच (wTron) प्रस्तुत करता है जो सीधे उच्च-कैपेसिटेंस वाले CMOS लोड को चलाने में सक्षम है और फाउंड्री तत्परता प्रदर्शित करता है, जिससे अगली पीढ़ी की कंप्यूटिंग और क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनिक्स और मानक सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकियों के बीच एक महत्वपूर्ण इंटरफेस स्थापित होता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ कंप्यूटर सुपरपावर्स पर चलते हैं। वह प्रकार नहीं जो आप फिल्मों में देखते हैं, बल्कि वास्तविक, वैज्ञानिक प्रकार का: अतिचालकता (superconductivity)। यह एक ऐसी अवस्था है जहाँ कुछ सामग्रियाँ, जब उन्हें अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान तक ठंडा किया जाता है, तो बिजली बिना किसी प्रतिरोध या ऊष्मा हानि के प्रवाहित होने देती है। यह एक ऐसे ट्रेन की तरह है जो घर्षण रहित ट्रैक पर फिसल रही है, जो बिना ईंधन की आवश्यकता के हमेशा चलती रहती है। वैज्ञानिक इस जादू का उपयोग करके अत्यंत तेज़, अल्ट्रा-लो-पावर कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लिए छोटे स्विच बना रहे हैं जो प्रकाश के एकल कणों का पता लगा सकते हैं।
हालाँकि, इसमें एक पेंच है। ये सुपर-पावर्ड सर्किट अपना काम करने में बहुत अच्छे हैं, लेकिन वे उन "सामान्य" कंप्यूटरों के साथ बातचीत करने में बहुत खराब हैं जिनका हम रोज़ाना उपयोग करते हैं, जैसे कि आपके फोन या लैपटॉप में होते हैं। वे सामान्य कंप्यूटर CMOS नामक तकनीक पर बने होते हैं, जो चिप बनाने का उद्योग मानक है। समस्या यह है कि सुपरकंडक्टिंग स्विच इतने नाजुक और कमजोर होते हैं कि वे उन भारी विद्युत भारों को नहीं धकेल पाते जिन्हें जगाने और काम करने के लिए CMOS चिप्स की आवश्यकता होती है। यह एक विशाल चट्टान को पंख से धकेलने की कोशिश करने जैसा है। वर्षों से, वैज्ञानिक इन दो दुनियाओं के बीच एक पुल बनाने की कोशिश कर रहे हैं, एक हाइब्रिड सिस्टम बनाने की उम्मीद में जो सुपरकंडक्टर्स की गति को मानक चिप्स की व्यावहारिकता के साथ जोड़ सके।
यह शोध पत्र एक नए प्रकार के पुल को पेश करता है जिसे wTron (वायर क्रायोट्रॉन का संक्षिप्त रूप) कहा जाता है। wTron को एक सुपरकंडक्टिंग तार से बने भारी-भरली, तीन-टर्मिनल स्विच के रूप में समझें। अपने नन्हे, नाजुक चचेरे भाइयों के विपरीत जो केवल कुछ नैनोमीटर चौड़े होते हैं (जो शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के बिना देखने के लिए बहुत छोटे हैं), wTron एक बहुत बड़े पैमाने पर बनाया गया है, जिसमें तार माइक्रोमीटर चौड़े होते हैं। यह आकार का अंतर ही असली सफलता का रहस्य है। क्योंकि तार अधिक चौड़े हैं, वे बहुत अधिक मजबूत करंट ले जा सकते हैं—कई मिलीएम्प्स तक—जिससे वे मानक CMOS घटकों को चालू करने के लिए आवश्यक विद्युत संकेतों को धकेलने के लिए पर्याप्त मजबूत बन जाते हैं।
शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे मानक फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके इन wTrons का निर्माण कर सकते हैं, जो नियमित कंप्यूटर चिप बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली समान प्रिंटिंग जैसी प्रक्रिया है। यह एक बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि इन स्विचों को बनाने के लिए महंगे, विशेष उपकरणों की आवश्यकता नहीं है; उन्हें नियमित चिप कारखानों में बड़े पैमाने पर बनाया जा सकता है। अपने प्रयोगों में, टीम ने एक चमकदार LED को चालू करने और 500 pF के बड़े विद्युत "कैपेसिटेंस" वाले एक शक्तिशाली ट्रांजिस्टर (एक MOSFET) के स्विच को चालू करने के लिए सफलतापूर्वक एक wTron का उपयोग किया। उन्होंने वास्तव में इन स्विचों को MIT लिंकन लैबोरेटरी की एक पेशेवर फाउंड्री प्रक्रिया का उपयोग करके बनाना भी संभव बनाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि wTrons को अन्य उन्नत सुपरकंडक्टिंग सर्किट के साथ एकीकृत किया जा सकता है।
यह शोध पत्र इस गणित में भी गहराई से उतरता है कि इन स्विचों को सर्वोत्तम तरीके से कैसे काम करना चाहिए। उन्होंने पाया कि भारी भार को तेज़ी से चलाने के लिए, wTron को "ऑफ" (प्रतिरोधी अवस्था में) होने पर उच्च विद्युत प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, जो एक मजबूत गेट की तरह कार्य करता है जो बिजली को लोड की ओर धकेलता है। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया कि तारों की आदर्श चौड़ाई और प्रतिरोध की सही मात्रा क्या होनी चाहिए, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि स्विच आधुनिक क्लॉक स्पीड के साथ तालमेल बिठाने के लिए पर्याप्त तेज़ी से चालू और बंद हो सके। हालाँकि wTron अपने नैनोस्केल पूर्ववर्ती की तरह सूक्ष्म संकेतों के प्रति संवेदनशील नहीं है, लेकिन भारी भार चलाने और मानक उपकरणों के साथ बनाए जाने की इसकी क्षमता इसे हाइब्रिड कंप्यूटरों की अगली पीढ़ी के निर्माण के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाती है जो क्वांटम दुनिया को रोज़मर्रा की दुनिया से जोड़ते हैं।
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