Elektronik, die bei niedrigen Temperaturen arbeitet, wird gemeinhin als kryogene Elektronik bezeichnet. Ihre Bedeutung hat in den letzten Jahren aufgrund des Interesses an der Entwicklung von Quantencomputertechnologien, sowie für den Einsatz in anderen Bereichen, z. B. im Weltraum, erheblich zugenommen. Bei den Quantentechnologien ist es häufig erforderlich, die Quantenbits auf kryogene Temperaturen zu kühlen, um ihre Stabilität zu verbessern. Daher ist es wichtig, elektronische Komponenten zu entwickeln, die bei solchen niedrigen Temperaturen arbeiten können, um eine zuverlässige Leistung zukünftiger Quantencomputersysteme zu gewährleisten.

Tiefes Verständnis für spinbasierte Phänomene

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden und das Max- Planck-Institut für Mikrostrukturphysik (MSP) in Halle arbeiten seit Anfang des Jahres im Projekt »CONDOR - Superconducting spintronic devices for cryogenic electronics« zusammen. Das Kooperationsprogramm verbindet die exzellente Material- und Bauelemente-Expertise und das tiefe Verständnis spinbasierter Phänomene in der Gruppe von Prof. Stuart Parkin am Max-Planck-Institut mit den anwendungsorientierten Forschungs- und Infrastrukturkapazitäten des Fraunhofer IPMS. Die neuartigen kryogenen Komponenten, die in dem dreijährigen Projekt entwickelt werden sollen, werden supraleitende energieeffiziente Elektronik für supraleitende Computersysteme sowie für die Integration in zukünftige Quantencomputersysteme ermöglichen.

Prof. Dr. Stuart Parkin vom Max-Planck-Institut beschreibt: »Das Projekt nutzt die Expertise in spintronischen und supraleitenden Materialien und Bauelementen an unserem Institut für Mikrostrukturphysik. Ergänzt wird dies durch das Know-how in den Bereichen Logik, Speicher und Integrationskompetenz auf 300-mm-Wafer- Maßstab am Fraunhofer IPMS.« Dr. Benjamin Lilienthal-Uhlig vom Fraunhofer IPMS ergänzt: »Das Fraunhofer IPMS und das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik haben bereits erfolgreich im RASCAL-Projekt zusammengearbeitet, in dem neuartige spintronische Speicherbauelemente entwickelt wurden, die bei Raumtemperatur arbeiten. Diese Ergebnisse bilden einen wichtigen Bestandteil des CONDOR-Projekts.«

Neuartiger supraleitender Transistor

Im Projekt soll ein neuartiger supraleitender Transistor entwickelt werden, der in kryogenen Logik- und Speicherelementen eingesetzt werden kann. Der Transistor wird aus einem schmalen supraleitenden Draht gebildet, an den eine Gate-Spannung angelegt wird. Im Rahmen des Projekts soll zunächst die Ursache für die Unterdrückung der Supraleitung in solchen Nanodrähten entschlüsselt werden, um dann supraleitende Feldeffekttransistoren sowohl in lateraler als auch in vertikaler Geometrie zu entwickeln, die bei CMOS-kompatiblen Spannungen arbeiten. Schließlich sollen diese kryogenen Transistoren sowohl als logische Elemente als auch als Schalter für den Zugriff auf magnetische Speicherelemente eingesetzt werden, um kryogene nichtflüchtige Speicher mit geringem Stromverbrauch zu ermöglichen. Bei den Speicherbauelementen handelt es sich um MTJs (englisch: magnetic tunnel junctions), die speziell für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen entwickelt werden. Diese neuartigen kryogenen Logik- und Speicherbauelemente werden somit kryogene elektronische Chips ermöglichen, die supraleitende Materialien und Phänomene nutzen. Am Ende des Projekts ist die Realisierung von Komponenten auf der Grundlage supraleitender Niederenergie-Elektronik, die im Wafer-Maßstab für supraleitende Rechensysteme sowie für zukünftige Quantencomputersysteme verwendet werden können.