Supergeleidende transistor: schakelen zonder weerstand
Een supergeleidende transistor is een schakelaar voor elektrische stroom die werkt bij extreem lage temperaturen, in een materiaal dat dan geen enkele elektrische weerstand meer heeft: een supergeleider. Net als een gewone transistor - het schakelelementje dat in vrijwel elke chip zit - kan hij stroom aan- en uitzetten of versterken. Het verschil zit in de manier waarop de stroom door het materiaal reist. In een normale, "warme" transistor van silicium botsen elektronen voortdurend tegen het kristalrooster, wat weerstand en dus warmteverlies oplevert, ongeveer zoals water dat door een ruwe, nauwe pijp stroomt. In een supergeleider vormen elektronen onder de kritieke temperatuur paren - zogeheten Cooper-paren - die ongehinderd door het materiaal glijden, zonder wrijving, zoals water over een spiegelgladde glijbaan.
Dat maakt supergeleidende schakelingen in theorie extreem zuinig en razendsnel. Er is wel een addertje onder het gras: de meeste bekende supergeleiders werken alleen bij temperaturen van een paar graden boven het absolute nulpunt (-273,15°C), en dat vereist dure en omvangrijke koelinstallaties. Supergeleidende transistoren zijn dan ook geen vervanger voor de chip in je telefoon, maar worden onderzocht voor gespecialiseerde toepassingen: de besturingselektronica van quantumcomputers, extreem energiezuinige supercomputers en gevoelige meetapparatuur. Het concept bestaat al sinds de jaren vijftig, maar pas de afgelopen decennia is de techniek volwassen genoeg geworden om serieus als bouwsteen voor computerchips te worden overwogen.
Wat is het precies?
Het uitgangspunt is supergeleiding: het verschijnsel dat sommige materialen onder een bepaalde kritieke temperatuur hun elektrische weerstand volledig verliezen. Dit werd in 1911 ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes, die kwik afkoelde tot bijna het absolute nulpunt. Onder die temperatuur bundelen elektronen zich tot Cooper-paren, vernoemd naar natuurkundige Leon Cooper, die als collectief door het materiaal bewegen zonder energie te verliezen aan botsingen.
Een schakelaar bouwen met zo'n materiaal kan op verschillende manieren. De oudste methode is de cryotron, uitgevonden door ingenieur Dudley Buck aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en beschreven in 1956. Een cryotron bestaat uit een dunne supergeleidende draad omwikkeld door een spoel. Stuur je stroom door die spoel, dan ontstaat een magnetisch veld dat de draad lokaal terugduwt naar een normale, weerstand-hebbende toestand. Zo kan de ene stroom de andere aan- of uitzetten, precies wat een transistor ook doet.
Een tweede en tegenwoordig belangrijkere bouwsteen is de Josephson-junctie: twee stukjes supergeleider gescheiden door een uiterst dunne isolerende laag, meestal een paar nanometer aluminiumoxide. Cooper-paren kunnen door tunneling - een quantummechanisch effect - toch door die barrière heen "lekken". Het gedrag van die stroom is sterk niet-lineair en razendsnel te schakelen, wat Josephson-juncties geschikt maakt als basis voor digitale logica en voor de qubits in supergeleidende quantumcomputers.
Een derde, recentere aanpak probeert de stroom te sturen met een elektrisch veld, zoals in een gewone veldeffecttransistor. Onderzoekers ontdekten dat je met een spanning op een nabijgelegen elektrode - een "gate" - de supergeleiding in een metalen nanodraad kunt onderdrukken of juist toestaan, zonder dat er een magnetisch veld aan te pas komt. Dit type wordt vaak een supercurrent field-effect transistor genoemd en lijkt qua bediening het meest op de transistoren die we uit gewone elektronica kennen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energiezuinigheid. Datacenters en supercomputers verbruiken wereldwijd enorme hoeveelheden stroom, deels doordat gewone transistoren warmte produceren die weer moet worden weggekoeld. Schakelingen zonder elektrische weerstand zouden in theorie vrijwel zonder energieverlies kunnen schakelen, wat interessant is voor toekomstige exascale supercomputers - machines die meer dan een triljard berekeningen per seconde uitvoeren.
Een tweede drijfveer komt uit de quantumcomputing. De meest gebruikte qubit-technologie van bedrijven als IBM en Google is gebaseerd op Josephson-juncties. Om zo'n quantumchip te bedienen zijn duizenden precieze stuursignalen nodig. Al die bekabeling naar kamertemperatuur brengen is onpraktisch en warmtegevoelig, dus wil men de besturingselektronica zelf ook supergeleidend maken en dicht bij de qubits plaatsen, in dezelfde koude omgeving.
Tot slot is snelheid een drijfveer: Josephson-juncties kunnen in theorie honderden gigahertz schakelen, veel sneller dan gangbare siliciumchips. Voor gespecialiseerde toepassingen zoals radarsignaalverwerking, precisiemeetapparatuur en telecommunicatie-infrastructuur is dat aantrekkelijk.
Voorbeelden uit de praktijk
De cryotron van Dudley Buck (1956): de allereerste supergeleidende schakelaar, gebouwd aan het MIT. Buck voorzag er zelfs compacte, snelle computers mee, decennia voordat de geïntegreerde schakeling het siliciumtijdperk inluidde. Het idee raakte in de vergetelheid toen halfgeleiders goedkoper en praktischer bleken, maar legde wel de basis voor latere supergeleidende elektronica.
RSFQ-logica (jaren tachtig - heden): natuurkundigen Konstantin Likharev en Oleg Mukhanov ontwikkelden aan de Staatsuniversiteit van Moskou het concept Rapid Single Flux Quantum, waarbij informatie wordt gecodeerd in minuscule magnetische flux-pulsjes door een Josephson-junctie. Het Amerikaanse bedrijf Hypres bouwde hiermee decennialang digitale chips, onder meer voor signaalverwerking.
IARPA's C3-programma (vanaf 2014): de Amerikaanse onderzoeksorganisatie IARPA financierde het programma Cryogenic Computing Complexity, waarbij onder meer Northrop Grumman werkte aan supergeleidende logica als bouwsteen voor toekomstige, energiezuinige supercomputers.
De nanocryotron (vanaf 2014): de onderzoeksgroep van Karl Berggren aan het MIT bouwde een sterk verkleinde, op een nanodraad gebaseerde versie van de klassieke cryotron. Dit component wordt onder meer gebruikt om de zeer zwakke signalen van supergeleidende single-photon-detectoren te versterken tot bruikbare digitale pulsen.
Elektrisch gestuurde supergeleiding (2018): de groep van Francesco Giazotto in Pisa, Italië, liet in het tijdschrift Nature Nanotechnology zien dat een spanning op een gate-elektrode de supergeleidende stroom in een titanium-nanodraad kan aan- en uitzetten, zonder magnetisch veld. Dit bracht de supergeleidende transistor qua bediening dichter bij zijn halfgeleider-neefje.
Hoe ver is de techniek?
Supergeleidende transistoren zitten nog stevig in de onderzoeksfase en zijn geen concurrent voor de miljarden gewone transistoren in een computerchip. De belangrijkste beperking is en blijft de temperatuur: de meest gebruikte supergeleiders - niobium, niobiumnitride, aluminium - werken pas onder de min 260 tot min 269 graden Celsius, wat vloeibaar helium of een dilution-koelkast vereist. Die koeling is duur, groot en zelf ook weer energieverslindend, wat een deel van de beloofde energiebesparing tenietdoet.
Er bestaan materialen die al bij hogere temperaturen supergeleiden, zoals yttrium-barium-koperoxide (YBCO), dat werkt met het goedkopere vloeibare stikstof (min 196°C). Maar deze zogeheten hogetemperatuur-supergeleiders zijn lastiger te verwerken tot nauwkeurige, herhaalbare Josephson-juncties, waardoor de meeste onderzoeksprototypes toch nog met de duurdere, koudere materialen werken. Een spraakmakende claim uit 2023 over een supergeleider die bij kamertemperatuur en normale druk zou werken (het zogeheten "LK-99") bleek na herhaalde onafhankelijke controles niet houdbaar - een herinnering dat dit onderzoeksveld gevoelig is voor voorbarige doorbraken.
Een tweede obstakel is integratiedichtheid: waar een moderne processor miljarden transistoren op een paar vierkante centimeter herbergt, blijven supergeleidende schakelingen tot nu toe beperkt tot hooguit honderdduizenden tot enkele miljoenen componenten, mede door de grotere afmetingen van spoelen en bedrading die nodig zijn. Ook ontbreekt, anders dan bij silicium, nog een volledig gestandaardiseerd fabricageproces zoals CMOS dat is voor gewone chips.
Waar de techniek wél al concreet wordt ingezet, is als hulpmiddel binnen quantumcomputers: Josephson-juncties zelf vormen de basis van de meest gebruikte qubit-typen, en supergeleidende stuurchips voor die qubits worden inmiddels commercieel ontwikkeld. Puur digitale supergeleidende rekenchips, zoals RSFQ-processors, hebben het tot nu toe niet tot grootschalige commerciële toepassing gebracht, ondanks decennia onderzoek.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten financiert IARPA, het onderzoeksagentschap van de Amerikaanse inlichtingengemeenschap, al jaren programma's op dit gebied, met bedrijven als Northrop Grumman als uitvoerende partij. Het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, onderzoekt supergeleidende schakelingen voor onder meer meetstandaarden en experimentele neuromorfe (hersenachtige) chips. Het bedrijf SeeQC, een spin-off van het voormalige Hypres, ontwikkelt supergeleidende besturingschips specifiek voor quantumcomputers.
In Europa doet de groep van Francesco Giazotto aan het NEST-instituut in Pisa, Italië, fundamenteel onderzoek naar elektrisch gestuurde supergeleidende schakelaars. In Nederland werkt QuTech - een samenwerking tussen de TU Delft en TNO - aan Josephson-junctie-gebaseerde qubits en bijbehorende cryogene besturingselektronica. Japan heeft een lange traditie in dit veld: aan de Yokohama National University ontwikkelde onder meer Nobuyuki Yoshikawa de adiabatic quantum-flux-parametron (AQFP), een bijzonder energiezuinige variant van supergeleidende logica.
Daarnaast houden de grote quantumcomputerbedrijven - IBM, Google en Rigetti onder meer - zich indirect bezig met de onderliggende Josephson-junctie-technologie, al ligt hun nadruk op qubits zelf en niet op supergeleidende transistoren als vervanger van klassieke chips.