Los superconductores -materiales que conducen la electricidad sin resistencia- son extraordinarios. Proporcionan una visión macroscópica de los fenómenos cuánticos, que normalmente sólo son observables a nivel atómico. Más allá de su peculiaridad física, los superconductores también son útiles. Se encuentran en las imágenes médicas, los ordenadores cuánticos y las cámaras utilizadas con los telescopios.

Pero los dispositivos superconductores pueden ser muy difíciles de manejar. Suelen ser caros de fabricar y propensos a errar por el ruido ambiental. Esto podría cambiar gracias a las investigaciones del grupo de Karl Berggren, del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática.

Los investigadores están desarrollando un nanohilo superconductor que podría permitir una electrónica superconductora más eficiente. Los beneficios potenciales del nanohilo se derivan de su simplicidad, dice Berggren. "A fin de cuentas, es sólo un cable".

Berggren presentará un resumen de la investigación en la Conferencia de Circuitos de Estado Sólido del IEEE de este mes.

La resistencia es inútil

La mayoría de los metales pierden resistencia y se convierten en superconductores a temperaturas extremadamente bajas, normalmente unos pocos grados por encima del cero absoluto. Se utilizan para detectar campos magnéticos, especialmente en situaciones muy sensibles como la monitorización de la actividad cerebral. También tienen aplicaciones en la informática clásica y cuántica.

La base de muchos de estos superconductores es un dispositivo inventado en la década de 1960 llamado unión de Josephson, que consiste básicamente en dos superconductores separados por un fino aislante. "Eso es lo que condujo a la electrónica superconductora convencional y, en última instancia, al ordenador cuántico superconductor", explica Berggren.

Sin embargo, la unión Josephson "es fundamentalmente un objeto bastante delicado", añade Berggren. Eso se traduce directamente en el coste y la complejidad de la fabricación, sobre todo en el caso del fino aislamiento posterior". Los superconductores basados en la unión Josephson también pueden no jugar bien con otros: "Si se intenta interconectar con la electrónica convencional, como la de nuestros teléfonos u ordenadores, el ruido de estos últimos acaba inundando la unión Josephson. Así que esta falta de capacidad para controlar objetos a gran escala es una verdadera desventaja cuando se intenta interactuar con el mundo exterior".

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

El reinicio del criotrón

En 1956, el ingeniero eléctrico del MIT Dudley Buck 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 informáticos, como los tubos de vacío 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, deteniendo el desarrollo del criotrón. (Desde entonces, los transistores se han escalado a tamaños microscópicos y hoy constituyen los componentes lógicos centrales de los ordenadores).

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

El nanocriotrón utiliza el calor para activar un interruptor, en lugar 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 llamado "estrangulador", como una autopista de varios carriles atravesada por una carretera secundaria. Cuando se envía corriente a través del estrangulador, su superconductividad se rompe y se calienta. Una vez que ese calor se propaga del estrangulador al canal principal, hace que éste también pierda su estado superconductor.

El grupo de Berggren ya ha demostrado una prueba de concepto para el uso del nanocriotrón como componente electrónico. Un antiguo alumno de Berggren, Adam McCaughan, desarrolló un dispositivo que utiliza nanocriotrones para sumar dígitos binarios. Y Berggren ha utilizado con éxito los nanocriotrones como interfaz entre los dispositivos superconductores y la electrónica clásica basada en transistores.

Berggren afirma que los nanocables superconductores de su grupo podrían complementar algún día -o quizás competir con- los dispositivos superconductores basados en uniones Josephson. "Los hilos son relativamente fáciles de fabricar, por lo que pueden tener algunas ventajas en términos de fabricación", afirma.

Cree que el nanocriotrón podría encontrar algún día un lugar en los ordenadores cuánticos superconductores y en la electrónica superenfriada de los telescopios. Los cables tienen una baja disipación de energía, por lo que también podrían ser útiles para aplicaciones que requieren mucha energía, dice. "Probablemente no van a sustituir a los transistores de tu teléfono, pero si pudieran sustituir al transistor de una granja de servidores o de un centro de datos... sería un impacto enorme". Sería un impacto enorme".

Más allá de las aplicaciones específicas, Berggren tiene una visión amplia de su trabajo sobre los nanocables superconductores. "Estamos haciendo investigación fundamental. Aunque nos interesan las aplicaciones, también nos interesa: ¿Cuáles son los diferentes tipos de formas de hacer computación? Como sociedad, nos hemos centrado en los semiconductores y los transistores. Pero queremos saber qué más puede haber ahí fuera".

La financiación inicial de la investigación sobre el nanocriotrón en el laboratorio de Berggren corrió a cargo de la National Science Foundation.