Le cryotron est un interrupteur qui fonctionne grâce à la supraconductivité. Le cryotron fonctionne sur le principe des champs magnétiques qui détruisent la supraconductivité. Ce commutateur consiste en deux fils supraconducteurs (en tantale et en niobium par exemple) avec des températures critiques (Tc) différentes. Le cryotron a été inventé par Dudley Allen Buck au Laboratoire Lincoln.
Décembre 1953: Le commutateur à commande magnétique est proposé dans le carnet de notes de Dudley Allen Buck.
Juillet 1955, demande de brevet américain n° 2 832 897 déposée par Dudley A. Buck
Demande de brevet américain n° 3 100 267 déposée en 1957 par James W. Crowe: Dispositifs de commande supraconducteurs
Conception
Un fil rectiligne de tantale (possédant une température critique Tc plus basse) est enroulé autour d'un fil de niobium dans une bobine monocouche. Les deux fils sont isolés électriquement l'un de l'autre. Lorsque ce dispositif est immergé dans un bain d'hélium liquide, les deux fils deviennent supraconducteurs et n'opposent donc aucune résistance au passage du courant électrique. Le tantale à l'état supraconducteur peut transporter un courant beaucoup plus important que dans son état normal. Lorsqu'un courant traverse la bobine de niobium (enroulée autour du tantale), il produit un champ magnétique qui, à son tour, réduit (annule) la supraconductivité du fil de tantale et, par conséquent, l'intensité du courant qui peut le traverser. On peut ainsi contrôler l'intensité du courant circulant dans le fil rectiligne grâce à un faible courant dans le fil enroulé. On peut considérer le fil de tantale comme une «porte» et le fil de niobium enroulé comme un «dispositif de contrôle».
L'article de Buck[1] comprend des descriptions de plusieurs circuits logiques mis en œuvre à l'aide de cryotrons, notamment: un étage d'additionneur binaire, un réseau de retenue, un étage d'accumulateur binaire et deux étages d'un registre de pas à cryotron.
Un cryotron planaire utilisant de fines couches de plomb et d'étain a été mis au point en 1957 par John Bremer au laboratoire d'ingénierie générale de General Electric à Schenectady. Il s'agissait de l'un des premiers circuits intégrés, bien qu'utilisant des supraconducteurs plutôt que des semi-conducteurs. Dans les années qui suivirent, un ordinateur de démonstration fut construit et des réseaux de 2 000 dispositifs fonctionnèrent. Un bref historique de ces travaux est disponible dans le bulletin de du Centre d'histoire de l'IEEE[2].
Juri Matisoo[3] a développé une version du cryotron intégrant une jonction Josephson commutée par le champ magnétique d'un fil de commande. Il a également expliqué les limitations des cryotrons traditionnels, dans lesquels le matériau supraconducteur doit transiter entre les états supraconducteur et normal pour commuter le dispositif, ce qui entraîne une commutation relativement lente. Le cryotron de Matisoo commute entre un état conducteur où se produit un effet tunnel par paires d'électrons à travers la grille et un état résistif où seuls les électrons isolés peuvent effectuer cet effet tunnel. Le circuit, comme le cryotron traditionnel, est capable d'une certaine amplification (gain supérieur à l'unité) et présente une vitesse de commutation inférieure à 800 picosecondes. Bien que la nécessité d'un refroidissement cryogénique ait limité son utilisation pratique, ce n'est qu'à la fin des années 2010 que des transistors commerciaux ont approché ces performances.
Héritage
Le Cryotron a valu à Buck de nombreuses interviews avec diverses agences de presse de l'époque, une renommée scientifique internationale, et bien que les travaux n'aient pas survécu à la mort de Buck, bon nombre des techniques de recherche sur l'appareil seraient utilisées chez Intel et d'autres fabricants de puces, ainsi que dans la recherche sur d'autres ordinateurs plus modernes et interactifs, notamment au MIT.
↑Bremer, «The invention of a superconducting integrated circuit», The IEEE History Center Newsletter, vol.75, , p.6–7 (lire en ligne[archive du ], consulté le )
↑Matisoo, «The tunneling cryotron—A superconductive logic element based on electron tunneling», Proceedings of the IEEE, vol.55, no2, , p.172–180 (DOI10.1109/PROC.1967.5436)
