ترانزیستورهای ابررسانا

چندین سال است که پژوهشگران در تعدادی از آزمایشگاه‌های صنعتی، به ویژه در آزمایشگاه‌های IBM، استفاده از پیوند ژوزفسون را به عنوان کلیدهای قطع و وصل در مدارهای رقمی، مورد مطالعه قرار می‌دهند (ماتیسو ). پیوند ژوزفسون تشکیل شده است از دو نوار فلزی ابر رسانا که لایۀ نازک عایقی بین آن‌ها قرار دارد. تحت شرایط مناسب، جفت‌های کوپر (یعنی الکترون‌هایی که در درون بلور ابررسانا توسط پیوندهای سستی دو به دو جفت شده‌اند) یا شبه ذره‌ها (یعنی الکترون‌های منفرد) می‌توانند از راه «تونل زدن» در عایق از یک نوار به نوار دیگر جریان یابند. تونل‌زنی، که اثری است کوانتومی و شبیهی در فیزیک کلاسیک ندارد، عبارت است از انتشار موج‌گونۀ ذرات (یا در این مورد، ذرات جفت شده) در مناطقی که قاعدتاً (از نظر فیزیک کلاسیک) ممنوعه هستند.
وقتی که در دو طرف عایق اختلاف پتانسیل ایجاد شود یک جریان تونلی خالص از شبه ذره‌ها از یک الکترود به الکترود دیگر برقرار می‌شود. به علاوه، وقتی اختلاف پتانسیل صفر است نیز یک جریان dc ژوزفسون، ناشی از تونل‌زنی الکترون‌های جفت شده، وجود دارد. دو سازوکار فوق باعث می‌شوند که مشخصۀ پیوندگاه پایداری مضاعف باشد. حالت‌های پایدار عبارتند از حالت ژوزفسون با مقاومت صفر و حالت رسانش شبه ذره با مقاومت نسبتاً بالا. مدارهای کامپیوتری که در آن‌ها از قطع و وصل کنترل شدۀ بین این حالت‌ها استفاده می‌شود طراحی و ساخته شده‌اند: قطع و وصل را یا به کمک میدان‌های مغناطیسی که در پیوندگاه‌ها ایجاد می‌شوند القا می‌کنند و یا با کنترل بزرگی و بسامد جریان‌هایی که از پیوندگاه‌ها می‌گذرند.
حُسن پیوند ژوزفسون به عنوان عنصر قطع و وصل در این است که انرژی قطع و وصل آن پایین، یعنی فقط چند μW است، و سرعت قطع و وصل آن بالا و در حدود چند پیکوثانیه است. در مدارهای کامپیوتری آینده، اهمیت پایین بودن انرژی قطع و وصل به اندازۀ اهمیت بالا بودن سرعت قطع و وصل خواهد بود. برای اجتناب از پیش آمدن محدودیت‌های زمانی در گذر علامت، باید میلیون‌ها ابزاری را که در کامپیوتر هستند در حجم کوچکی که ابعاد آن از چند سانتی‌متر تجاوز نکند جای داد و گرمایی که این ابزار تولید می‌کنند حذف کرد. ابررسانایی یک مزیت دیگر هم در این نوع سیستم‌ها دارد و آن این است که خطوط انتقال ابررسانا را می‌توان خیلی کوچک کرد و پهنای نوار مشخصۀ آن را هم‌چنان بسیار گسترده نگاه داشت.
مع هذا، در پیش‌برد تکنولوژی ژوزفسون مشکلات عملی قابل ملاحظه‌ای وجود دارد. پیوندهای ژوزفسون خیلی با ترانزیستورهایی که عملا در ساختن کلیۀ مدارهای کامپیوتری به کار می‌روند فرق دارد و فرق آن در این است که پیوند ژوزفسون فقط دو پایانه دارد و در نتیجه جدا کردن ورودی از خروجی مشکل است. برای این کار می‌توان از مبدل‌های ابررسانا استفاده کرد، ولی این‌ها جای زیادی می‌گیرند. به علاوه، پایداری مضاعف این ابزار، منطق آستانه‌ای را ایجاب می‌کند که فشار زیادی نسبت به تحمل ابزارهای ساخته شده بر آن‌ها وارد می‌آورد. هنوز نمی‌توان گفت که این مسائل قابل حل هستند یا نه.
ابزاری که بیش‌تر شبیه ترانزیستور باشد و در ترازهای ابررسانندگی عمل کند می‌تواند این مسائل را قدری تخفیف بدهد و در عین حال از ابزارهای ابررسانا با انرژی پایین و از پهنای نوار خطوط ابررسانا سود بجوید. کِن‌گری در آرگون متوجه شد که ابررساناییِ عدم تعادل و به خصوص یک پیوندگاه پشته شده متشکل از سه لایۀ ابررسانا با دو پیوندگاه تونل بینابینی، ساختن ابزار شبیه ترانزیستوری را ممکن می‌سازد (گری ). گری با استفاده از یکی از پیوندگاه‌ها برای تزریق شبه ذره‌ها به لایۀ ابررسانای وسطی نشان داد که می‌توان در لایۀ نازک وسط یک چگالی شبه ذرۀ اضافی به وجود آورد که بزرگی آن به قدری باشد که جریانی که از پیوندگاه دیگر استخراج می‌شود واقعاً بزرگ‌تر از جریانی باشد که چگالی اضافی را تولید کرده است. گرچه جریان تقویت شد، اما چون اختلاف پتانسیل جریان تزریقی بالاتر از اختلاف پتانسیل جریانِ استخراج شده بود، افتی در اختلاف پتانسیل پیش آمد. در آزمایش‌های گری برای بررسی تجربی پدیده‌های غیر تعادلی از آلومینیوم به عنوان ابررسانا استفاده شد، چون ساختن آن آسان و مقیاس زمانی آن (100 نانو ثانیه) مناسب است. گری متذکر شد که مواد ابررسانای دیگر اگر در ساختن ابزار به کار روند خیلی سریع‌تر واکنش نشان می‌دهند (گری ).
ریدر و دریک در IBM، فنونی برای ساختن پیوندهای سخت با چگالی جریان بالا و با کیفیت خیلی خوب برای کاربردهای ژوزفسون ابداع کردند که در آن یکی از الکترودها از جنس نئوبیوم بود (ریدر و دیگر 1981). فاریس، ریدر، گالاگر و دریک با استفاده از این فنون یک ساختار پنج لایه‌ای از آلیاژ «نئوبیوم/ اکسید/ نئوبیوم نازک/ اکسید/ سرب» درست کردند و آن را کویترون نامیدند (فاریس و دیگر 1983). خواص شبه ترانزیستوری کویترون‌ها وقتی ظاهر می‌شود که به لایۀ وسطی ابررسانا انرژی الکتریکی تزریق می‌شود و آن را برانگیخته می‌کند و به یک حالت غیرتعادلی درمی‌آورد. در این حالت برخی از جفت‌های کوپر از هم می‌گسلند و به دو الکترون جدا (که در این مورد به آن‌ها شبه ذره می‌گوییم) تبدیل می‌شوند. مخلوط شدن آشفتۀ شبه ذره‌ها و جفت‌های کوپر، رفتار پیوندگاه‌ها را از لحاظ جریان‌ـ اختلاف پتانسیل به نحوی مؤثر تغییر می‌دهد که به آن‌ها کیفیت «روشن شدن» ناگهانی را که مختص کلیدهای برق است می‌دهد.
اندازه‌گیری‌های سرعت بالا شواهدی مبنی بر وجود برخی واکنش‌های سریع (110 پیکوثانیه) به دست دادند. تعداد قابل ملاحظه‌ای واکنش کند (10 نانوثانیه) هم مشاهده شد (گالاگر و دیگر ). واکنش‌های کند نشان می‌دادند که در راه حذف گرما تنگناهایی وجود دارند که ناشی از عدم توانایی فونون‌ها در خروج بدون اشکال از تمامی ساختار است. این فونون‌ها در نتیجۀ فروپاشی توزیع شبه ذره‌های غیر تعادلی آفریده می‌شوند.
هانت و بهوم مشغول بررسی ساختاری هستند که بتواند از تنگنایی که بر سر راه حذف فونون‌هایی حاضر در پیوندگاه‌های پشته شده قرار دارد اجتناب ورزد (هانت و دیگر ). ساختمان این ابزار تشکیل شده است از دو پیوندگاه مرکب از یک رشتۀ ابررسانا که بر روی دو لایۀ ابررسانا کشیده شده است و یک عایق ضخیم که بین این دو لایه قرار دارد. حذف انرژی ساکن در توزیع شبه ذرۀ غیر تعادلی باید از طریق پخش مستقیم شبه ذره‌ها انجام گیرد نه از ترکیب دوبارۀ شبه ذره‌ها و فرار فونون‌ها که کندتر صورت می‌گیرد.
حتی اگر بتوان نشان داد که تقویت در سرعت بالا قابل ملاحظه است، هنوز نمی‌توان به این سؤال پاسخ گفت که آیا این طرح‌ها عملا به ساختن ترانزیستورهای برودتی منجر می‌شوند یا نه. مسائل عملی از قبیل میزان جدا کردن الکترودهای کنترل از خروجی، رابطۀ بین پاگیری‌های ورودی و خروجی و هم‌چنین قابل تولید بودن ابزارهای تجربی هنوز حل نشده‌اند..