Криогенная электроника — это устройства и схемы, работающие при криогенных температурах (ниже 123,15 по шкале Кельвина, что составляет -150 градусов по шкале Цельсия), которые изготовлены из различных материалов, таких как изоляторы, проводники, полупроводники, сверхпроводники и топологические материалы. Криогенная электроника наделена некоторыми уникальными преимуществами, которые невозможно реализовать при комнатной температуре, включая высокую скорость вычислений, потрясающую производительность и так далее. Выбор подходящей технологии охлаждения имеет решающее значение для достижения наилучшей производительности криогенной электроники.
В последние годы криогенная технология сыграла жизненно важную роль в области астрономических наблюдений, энергетики, квантовых вычислений, зондирования и некоторых фундаментальных исследований физики конденсированного состояния. В области астрономических наблюдений космические детекторы с высокой точностью наблюдения должны работать в температурной зоне жидкого гелия или даже в температурной зоне миллиградуса по Кельвину, чтобы преодолеть интерференцию паразитных тепловых вибраций.
Квантовые компьютеры могут использоваться для решения вычислительных задач более эффективно, чем классические компьютеры, используя квантовые биты (кубиты), работающие при температуре, близкой к «абсолютному нулю» по шкале Кельвина (это составляет -273,15 градусов по Цельсию).
В области хранения энергии разработка электролитов и активных материалов, работающих при температуре на десятки градусов ниже нуля по Цельсию, могла бы преодолеть недостатки литий-ионных аккумуляторов при низких температурах. В фундаментальных физических исследованиях многие новые физические явления можно наблюдать только при очень низких температурах, такие как сверхпроводимость, конденсация Бозе-Эйнштейна, сверхтекучесть в жидком гелии и так далее. Следовательно, развитие криогенной техники имеет большое значение для прогресса науки и техники.
Сверхпроводниковая электроника, то есть функциональные электронные схемы, включающие активные нелинейные и линейные элементы, обладающие сверхпроводимостью ниже критической температуры, является важной частью криогенной электроники, которые могут демонстрировать непревзойдённые характеристики. Таких параметров работы невозможно достичь с помощью традиционной полупроводниковой электроники, но практическое использование ограничено охлаждением до криогенных температур и стабильной работой при них. Существует множество преимуществ этой технологии, по сравнению с работающей при комнатной температуре, например, более высокая рабочая скорость, меньшая рассеиваемая мощность, более короткое время передачи сигнала, повышенная плотность интеграции и т. д. Криогенная электроника наделена уникальными преимуществами при применении в квантовой обработке информации, поскольку она использует кубиты и квантово-механические системы с двумя состояниями, которые могут находиться в когерентных суперпозициях обоих состояний одновременно, что значительно улучшит скорость вычислений.
Неоптические технологии охлаждения по-прежнему будут основными методами охлаждения криогенных чипов в настоящем времени. Однако они наделены многими недостатками, такими, как сложные процессы и дорогое оборудование. Лазерное оптическое охлаждение полупроводников является многообещающей технологией охлаждения криогенных чипов в будущем. Оно более интересно, чем охлаждение твёрдых тел, легированных редкоземельными элементами, и привлекает гораздо больше внимания в связи с тем, что полупроводниковые охладители наделены преимуществами, заключающимися в обеспечении более эффективного поглощения света, потенциалом достижения гораздо более низких температур, и возможность прямой интеграции в электронику и фотонику.
Развитие квантовых вычислений вызвало интерес к области криогенной электроники. Материалы на основе углерода имеют большие перспективы в этой области, благодаря превосходным свойствам поведения материала при низких температурах и возникающим квантовым эффектам. Разработка кремниевых интегральных схем (Si-IC) произвела революцию в информационных технологиях за последние десятилетия. Комплементарные металлооксидно-полупроводниковые схемы, на основе кремния (Si-CMOS), удваивают свою плотность интеграции каждые 18 месяцев. Однако с экспоненциально возрастающей сложностью технологии обработки процесс масштабирования начал замедляться, и возросшая интеграция также столкнулась с узкими местами тактовой частоты, ограничениями мощности и памяти архитектуры фон Неймана. В то время как эта технология приближается к пределам своей производительности, спрос на более совершенные вычислительные возможности всё ещё возрастает в ряде областей, таких как серверное оборудование, Интернет вещей, технологии Бигдата, искусственный интеллект и материаловедение.
Основная область рабочих температур современных процессоров сосредоточена в диапазоне температур окружающей среды. По сравнению с этой производительностью, работа электронных компонентов в условиях ниже температуры жидкого азота улучшает ряд свойств, что приводит к увеличению эффективности и вычислительной производительности цифровых логических вычислений при криогенных температурах. Как уже говорилось, при сверхнизких температурах пониженное сопротивление металлических соединений ускоряет передачу сигнала, а низкотемпературная среда смягчает проблемы рассеивания тепла устройствами, что обеспечивает более высокую плотность интеграции. С другой стороны, возникновение квантово-механических эффектов при низких температурах облегчает создание инновационных квантовых электронных устройств. Например, долгожданные квантовые вычислительные системы, работающие при температурах милликельвина, продемонстрировали превосходство над традиционными вычислительными архитектурами благодаря многокубитным когерентным операциям и успешной демонстрации квантовых алгоритмов.
Однако, для работы квантовой компьютерной системы необходимы интерфейсы, по которым передаются данные в неквантовый мир. Это означает, что необходимо из холодильной установки передавать информацию на многочисленные серверы, расположенных в дата-центрах и работают при температуре чуть холоднее окружающей среды. Но и общее количество интерфейсов из холодильника тоже ограничено, что ограничивает масштабирование квантовых вычислений. Чтобы решить проблему этого «узкого места», учёные разработали радиочастотный мультиплексор, через который проходит широкополосная передача данных, а также решили вопрос соединения кубитов внутри холодильника. Эта схема может управлять сигналами, поступающими на несколько кубитов и исходящими от них. Размещение схемы управления в холодильнике, рядом с массивом кубитов или даже интеграция схемы в квантовый чип может обойти проблемные места проводов и повысить эффективность манипулирования этими элементами, а также позволит минимизировать ошибки, благодаря более близкому расстоянию передачи сигнала.
Более того, снижение теплового шума при низких температурах может повысить точность и отношение сигнал/шум систем обнаружения, обеспечивая превосходное квантовое зондирование с квантовыми эффектами. Точное и локализованное обнаружение электромагнитных полей и температур в криогенных средах также требуется для поддержания надлежащей работы криогенной электроники. Электронные устройства для работы при криогенных температурах, такие как малошумящие усилители (LNAs), также могут применяться в области дальнего космоса, астрономии, биологии и промышленных установках.
Несмотря на то, что улучшенные характеристики полупроводниковых приборов достигаются при низких температурах, по-прежнему необходимы усилия для поддержания надлежащей работы электроники и их потенциального высвобождения в таких режимах. Особый механизм квантовых вычислений требует предотвращения заряженных дефектов, которые могут привести к нарушению динамических и статических свойств элементной базы, поэтому требуются более высокая чистота материала и качество интерфейса. Тепловыделение резистивных элементов также должно быть ограничено, чтобы ослабить помехи фотонно-теплового потока от электроники к кубитам. Более того, для достижения эффективного проектирования будущих крупномасштабных архитектур квантовых вычислений требуются трёхмерные (3D) интегрированные модули управления двумерными (2D) массивами кубитных ячеек для повышения эффективности системы и интеграции.
Поэтому материалы и устройства, для криогенной электроники, должны обладать точно предсказуемыми свойствами, зависящими от температуры, низким динамическим энергопотреблением, быстрым временем отклика, высоким качеством интерфейса передачи данных и возможностью интеграции в 3D-модели. Среди многообещающих кандидатов выступают материалы на основе углерода — углеродные нанотрубки (УНТ) и графен. Они хорошо подходят для разработки и применения в криогенной электронике, благодаря своим превосходным электрическим, тепловым и механическим свойствам, малым размерам, сверхлёгкой массе и сверхчистой поверхности.
Графен — это двумерный материал, состоящий из sp2-связанных атомов углерода в виде сот. Структура энергетической зоны этого малоразмерного материала, известна как конус Дирака. В k-пространстве зоны проводимости и валентности графена соприкасаются в шести точках, то есть точках Дирака, и, таким образом, графен является полуметаллом с нулевой запрещённой зоной. В отличие от параболического дисперсионного соотношения, как в обычных объёмных трёхмерных материалах, линейное дисперсионное соотношение графена вокруг низкоэнергетической области точки Дирака способствует движению электронов, с помощью новых релятивистских квантовых явлений. Электроны в графене являются фермионами Дирака с эффективной массой, равной нулю, что может индуцировать множество экзотических свойств, таких как полуцелочисленный квантовый эффект Холла и туннелирование Клейна. Однако нулевая ширина запрещённой зоны графена ограничивает его применение в электронике. Существует несколько подходов к расширению запрещённой зоны, например, «срезание» материала в узкую ленту и нарушение пространственной симметрии сильным электрическим полем в многослойных пакетах.
Но ещё более перспективными материалами считаются углеродные нанотрубки, представляющие собой квази-трёхмерные полые цилиндрические структуры, которые формируются путём свёртывания одного слоя графена в цилиндр. Ширина запрещённой зоны углеродных нанотрубок равна нулю, без каких-либо других вторичных эффектов и проявляет металлические свойства проводника, когда квантованная линия проходит через точку Дирака. В противном случае, материал проявляет полупроводниковые свойства. Таким образом, соотношение металлических и полупроводниковых элементов в естественном состоянии составляет 1:2. Электронная структура может быть скорректирована для новых применений посредством изменения различных параметров, таких как электрические или магнитные поля и напряжение. Полупроводниковые нанотрубки используются в качестве канальных материалов и широко применяются в области электроники, а с металлическими свойствами — больше подходят для изучения квантового переноса.
Материалы на основе углерода обладают преимуществами более высокой подвижности, теплопроводности, плотности тока и скорости насыщения. Для криогенной электроники необходима стабильность свойств независимо от изменения температуры, таких, как плотность носителей, механизмы рассеяния, шумы и тепловое расширение. Материалы на основе углерода не только демонстрируют потенциал превосходства над нынешней кремниевой структурой, работающей в электронике при температуре окружающей среды, но и обеспечивают уникальные преимущества в криогенной электронике, при функционировании в условиях сверхнизких температур.
