为了追求极限性能,越来越多的电子系统需要在低温条件下工作。例如,在量子计算机、高性能传感器、深空观测以及一些经典信息处理系统中,通常使用工作温度为2K甚至是mk温区的低温器件,从而在噪声、速度和灵敏度等方面实现接近量子极限的性能。对于这一类低温系统,信号读取与处理通常采用两种方式:第一种是采用超导数字电路SFQ(单磁通量子技术)来实现高性能计算和处理;第二种是将信号传送至几十K的温区,再采用低温CMOS技术对进行信号处理。然而,不论采用何种技术路径,数字电路的功耗都必须控制在极小范围之内,从而保持极低温的工作环境,维持低温器件的高性能。随着应用需求的提高和低温阵列器件规模的扩大,低温电子系统性能受到信号处理和传输技术的制约,急切需要新的方案进行解决。
图1. (a) 采用超导纳米线结构实现的12门控或逻辑门;(b) 超导纳米线数字编码器芯片照片。
针对此问题,南京大学吴培亨院士领导的超导电子学研究所团队,赵清源教授和康琳教授课题组设计出新型多门控超导纳米线逻辑器件(superconducting nanowire cryotron, nTron),并利用此器件搭建经典二进制数字编码器;在1.6K的温度下,成功实现数字信息编码,总功耗小于1微瓦(10-6瓦)。同时,他们还利用此编码器对超导纳米线单光子探测器阵列实现数字化读出,为低温阵列探测器的信号读出和处理提供第三种解决方案。
图2. 超导纳米线逻辑芯片实现对单光子探测器阵列的数字化读取。
半导体数字电路,经历了从电子管、晶体管、混合集成电路至大规模集成电路的发展过程。每一代技术的升级变革,其核心推力都是基础逻辑器件的更新换代。前沿技术领域对超导电子器件的应用需求,也正将超导电子技术推向数字化的发展时代。南京大学吴培亨院士团队基于超导纳米线技术,开展了新型超导逻辑器件(nTron)的研究工作。nTron为单层平面器件,利用局部超导相变,实现高速低功耗的开关逻辑。最新的研究进展发表在《Nano Letters》。论文详细介绍了nTron编码器的速度、工作区间、功耗和时间抖动等特性,证实了nTron器件在低温环境下的优异性能。审稿人对此项工作给出了专业的评价:“研究在复杂度和性能上相较于现有的报道优势非常显著”、“利用nTron编码器读出SNSPD阵列,具备了非常强的新颖性和应用潜力”。
此项工作为后续开展更大规模、更多功能的nTron数字电路研究奠定基础。nTron电路作为中间桥梁,将超导器件与微纳光器件、CMOS电路、超导量子比特、自旋电子器件等不同体系的电子系统相连,使构建成低温环境下的超级混合电路成为可能,可最大程度发挥超导电子器件的极端性能。
值得注意的是,相比半导体数字电路来说,目前nTron数字电路的研究与开发还处于初级阶段,需要研究者们在器件研发、电路设计规则、加工技术等多方面展开努力。这也是吴培亨院士团队下一步的工作方向之一。
本项研究成果论文发表在《Nano Letters》上,A Superconducting Binary Encoder with Multigate Nanowire Cryotrons, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00498。南京大学博士生郑凯为本论文第一作者,通讯作者是南京大学赵清源教授和康琳教授,吴培亨院士在创新点和研究方向上给出关键指导,相关工作得到陈健教授、张蜡宝教授、贾小氢教授、涂学凑高工以及微纳加工中心潘丹峰工程师的大力协助。该项目一直受到俞大鹏院士的关注和大力支持。资助基金包括国家重点研发计划,国家自然科学基金,人才计划,中央高校基金,江苏高校优势学科建设工程,江苏省青蓝工程,江苏省电磁波特征信息调控技术重点实验室。
论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00498
课题组网站:https://sccm.nju.edu.cn/
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
《Nano Letters》报道我校超导电子学研究所赵清源、康琳教授有关超导纳米线数字电路的研究进展
本站小编 Free考研考试/2021-02-15
相关话题/技术 工作
建筑与城市规划学院傅筱教授工作室入选Domus年度全球50最佳建筑事务所
近日,创刊92年的世界著名建筑、设计杂志《Domus》国际版发布了全球最佳建筑设计事务所名单,经5位声誉卓著的国际专家和Domus前任与现任主编匿名评选,全球共50家建筑设计事务所入围。我校建筑与城市规划学院傅筱教授主持的集筑建筑工作室(IntegratedArchitectureStudio)荣幸 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15电子学院/现代工学院宋虎成副研究员和周豪慎、徐骏教授团队合作开发出首款在超低温下工作的高比能全固态锂离子电池
作为新能源汽车生命线的动力电池由于短路造成的起火、燃烧等安全问题一直是横跨在新能源汽车发展道路上的“绊脚石”。全固态锂离子电池的出现为发展安全、超高比能的动力电池带来了新的曙光。相比于传统基于液态电解质的锂离子电池,全固态锂离子电池主要有以下优势:1)超高能量密度:基于金属锂负极的全固态锂离子电池能 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15李建龙教授团队利用高光谱遥感技术在土壤重金属污染定量监测研究中取得重要成果
李建龙教授团队从1998年起,经多年努力攻关利用自主研发建立的天-地-空-高-多光谱监测系统(生态眼)及5S(RS-GIS-GPS-ES-IDSS)高新智能遥感技术在张家港市、兴化市和宜兴市等地广泛应用,在实现了主要农作物长势与生产力智能化定量监测与精准预报的基础上;进而又利用高-多光谱遥感技术在土 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《Small》高亮报道刘斌、张荣教授课题组在纳米激光器方面的研究工作
半导体电子器件与集成电路芯片极大地推动了现代社会科学与技术的发展,也改变了人们的生活方式。光与电相互作用及其有效调控一直是半导体领域核心的研究方向之一。自激光器发明以来,其微型化一直是研究热点,其目的是获得更小体积、更高调制速度和更低功耗的激光器。基于芯片光互连应用迫切需求将激光光源的尺寸缩小至接近 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15物理学院李绍春课题组利用扫描隧道显微学技术证实CoSi表面的手性费米弧表面态
近日,南京大学物理学院李绍春教授课题组在拓扑半金属材料研究中取得了重要进展。该团队利用扫描隧道显微技术验证了CoSi中手性费米准粒子及其对应的费米弧表面态的存在,并首次观测到表面态的自旋轨道耦合劈裂。相关研究成果以“QuasiparticleInterferenceEvidenceoftheTopo ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15“先进测量技术”研讨会在我校成功召开
2019年11月7日,由我校化学化工学院和生命分析化学国家重点实验室共同主办、江苏省化学化工学会质谱专业委员会协办的“先进测量技术:让健康和环境更美好”研讨会在我校成功召开。陈洪渊院士为会议荣誉主席,刘震教授为会议主席。先进测量技术在科学研究和日常生活中扮演着日益重要的作用。特别是色谱和质谱等先进测 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15让木材成为高技术新材料 —— 现代工程与应用科学学院祝名伟等在天然木材的纳米制造技术方面取得重大进展
最近,现代工程与应用科学学院祝名伟副教授联合美国马里兰大学胡良兵教授,首次实现了木材表面的微纳结构,展示了其表面纳米图案的制备能力,突破了木材传统的应用领域。该成果以《PrecisionImprintedNanostructuralWood》为题发表在材料类著名期刊AdvancedMaterials ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《Science Advances》报道陈洪渊、黄硕团队无电极仿生纳米孔芯片技术
自然界中广泛存在的物质跨膜输运现象通过介导细胞内外物质交换在分子水平上对诸多生物学过程进行精准调控。其中,无机离子,葡萄糖,核酸,氨基酸及其它细胞代谢物的跨膜输运需要由特定的膜通道蛋白介导完成。这些膜通道蛋白由蛋白质单体或者多聚体于生物膜上自发组装形成跨膜孔道。膜片钳技术可以有效的逐个探究单个膜通道 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《自然·通讯》报道我校三维非线性光束整形的工作
2018年,南京大学张勇教授、教授、祝世宁院士领衔的科研团队,联合中国科学技术大学吴东教授,开发出飞秒激光擦除铁电畴技术,首次成功制备出三维铌酸锂(LiNbO3)非线性光子晶体(NonlinearPhotonicCrystal,简称NPC)。近日,他们又在实验上演示了第一个三维NPC应用:三维非线性 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《ACS Nano》报道王华兵、余林蔚教授径向结超高分辨光电响应研究工作
开发高效、轻便、低成本和柔性光伏技术是探索新一代光电能源、探测和可穿戴电子应用的关键基础之一,近年来受到广泛的学术和产业关注。通过三维纳米框架设计,制备高效径向结(RadialJunction,RJ)光电转换器件,是获得超强陷光特性、快速电荷收集和实现优异耐弯折力学特性的有效手段。然而,三维光电结构 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15