Del criotrón al nanocriotrón, ¿una revolución de la electrónica superconductora?

Los superconductores (materiales que conducen la electricidad sin resistencia) son extraordinarios no solo desde el punto de vista de la ingeniería sino también desde el de la física. Ofrecen una visión macroscópica de fenómenos cuánticos, que normalmente solo son observables a nivel atómico. Más allá de su peculiaridad física, los superconductores son de gran utilidad en campos como el de la captación de imágenes médicas, el de las cámaras para telescopios y el de la computación cuántica.

Pero los dispositivos superconductores pueden ser muy difíciles de producir y de manejar. Suelen ser caros de fabricar y propensos a sufrir errores por culpa del “ruido” ambiental. Esto podría cambiar gracias a una línea de investigación y desarrollo seguida por el grupo de Karl Berggren en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos.

Estos investigadores están desarrollando un nanocable superconductor que podría permitir una electrónica superconductora más eficiente. Los beneficios potenciales del nanocable se derivan de su simplicidad.

La mayoría de los metales pierden resistencia y se vuelven superconductores a temperaturas extremadamente bajas, normalmente a unos pocos grados por encima del Cero Absoluto, la temperatura más baja que permiten las leyes de la física.

Un dispositivo inventado en la década de 1960, llamado unión de Josephson y que consiste esencialmente en dos superconductores separados por un fino aislante, constituye uno de los fundamentos de la electrónica superconductora convencional.

Sin embargo, la unión de Josephson es una pieza bastante delicada. Eso se traduce directamente en el coste y la complejidad de su fabricación, sobre todo en el caso del fino aislante. Los superconductores basados en la unión Josephson también pueden resultar difíciles de combinar con otros componentes: Si se intenta una interconexión con la electrónica convencional, como la de nuestros teléfonos u ordenadores, el “ruido” de estos acaba por saturar la unión de Josephson.

Para superar estas desventajas, el equipo de Berggren está desarrollando una nueva tecnología (el nanocable superconductor) con raíces más antiguas que la propia unión Josephson...

En 1956, Dudley Buck, un ingeniero eléctrico del MIT, publicó una descripción de un interruptor de ordenador superconductor llamado criotrón. El dispositivo era poco más que dos cables superconductores: Uno era recto y el otro estaba enrollado. El criotrón actúa como un interruptor, porque cuando la corriente fluye por el cable enrollado, su campo magnético reduce la corriente que fluye por el cable recto.

En aquella época, el criotrón era mucho más pequeño que otros tipos de interruptores o conmutadores para computación, como las válvulas electrónicas o los transistores, y Buck pensó que el criotrón podría convertirse en la base de los ordenadores. Pero en 1959, Buck murió repentinamente a los 32 años de edad, deteniéndose así el desarrollo del criotrón. Desde entonces, los transistores se han reducido a tamaños microscópicos y hoy constituyen los componentes lógicos fundamentales de los ordenadores.

Ahora, Berggren está resucitando las ideas de Buck sobre los interruptores superconductores para ordenadores. "Los dispositivos que estamos fabricando son muy parecidos a los criotrones, ya que no requieren uniones de Josephson", afirma. En homenaje a Buck, bautizó su dispositivo superconductor a base de nanocable como nanocriotrón, aunque su funcionamiento es un poco diferente al del criotrón original.

El nanocable superconductor podría permitir una electrónica superconductora más eficiente. (Ilustración: Christine Daniloff, MIT. CC BY-NC-ND 3.0)

El nanocriotrón utiliza el calor para activar un interruptor, en vez de un campo magnético. En el dispositivo de Berggren, la corriente pasa por un cable superconductor y superenfriado llamado "canal". Ese canal está atravesado por un cable aún más pequeño que sirve de bloqueador, haciendo que el conjunto recuerde a una autopista de varios carriles atravesada por una carretera secundaria. Cuando se envía corriente a través del bloqueador, su superconductividad cesa y se calienta. Una vez que ese calor se propaga del bloqueador al canal principal, ello hace que este también pierda su estado superconductor.

El grupo de Berggren ya ha realizado pruebas que demuestran la validez del uso del nanocriotrón como componente electrónico. Por ejemplo, Berggren ha utilizado con éxito nanocriotrones como interfaz entre una serie de dispositivos superconductores y la electrónica clásica basada en transistores.

Berggren afirma que los nanocables superconductores desarrollados por su grupo podrían complementar algún día a los dispositivos superconductores basados en uniones Josephson, o quizás incluso convertirse en una alternativa mejor a ellos. "Los cables son relativamente fáciles de fabricar, por lo que pueden tener algunas ventajas en términos de fabricación", afirma. (Fuente: NCYT de Amazings)