Эксперты NIST Sensor изобретают сверххолодный мини-термометр

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) изобрели миниатюрный сверхпроводящий термометр с большим потенциалом применения, например, для контроля температуры процессорных чипов в квантовых компьютерах на основе сверхпроводников, которые должны оставаться холодными для правильной работы.

Термометр измеряет температуру ниже 1 кельвина (минус 272,15 ° C / минус 457,87 ° F), до 50 милликельвинов (мК) и потенциально до 5 мК. Он меньше, быстрее и удобнее, чем обычные криогенные термометры для устройств в масштабе чипа, и его можно производить серийно.

Эта технология является побочным продуктом специальных сверхпроводящих датчиков NIST для камер телескопов. Новый термометр размером всего 2,5 на 1,15 миллиметра может быть встроен или прикреплен к другому криогенному микроволновому устройству для измерения его температуры, когда он установлен на микросхеме. Исследователи использовали термометр для демонстрации быстрых и точных измерений нагрева сверхпроводящего микроволнового усилителя.

«Это была забавная идея, которая быстро превратилась во что-то очень полезное», — сказал лидер группы Джоэл Уллом. «Термометр позволяет исследователям измерять температуру широкого спектра компонентов в своих тестовых комплектах с очень небольшими затратами и без введения большого количества дополнительных электрических соединений. Это может принести пользу исследователям, работающим в области квантовых вычислений или использующим низкотемпературные датчики в самых разных областях».

Термометр состоит из сверхпроводящего ниобиевого резонатора, покрытого диоксидом кремния. Покрытие взаимодействует с резонатором, изменяя частоту его естественных колебаний. Ученые подозревают, что это связано с «туннелированием» атомов между двумя точками, квантово-механическим эффектом.

Термометр NIST основан на новом применении принципа, согласно которому собственная частота резонатора зависит от температуры. Термометр сопоставляет изменения частоты с температурой. Напротив, обычные термометры для температур ниже Кельвина основаны на электрическом сопротивлении. Для них требуется проводка, проложенная к электронике, работающей при комнатной температуре, что усложняет работу и может вызвать нагрев и помехи.

Термометр NIST измеряет температуру примерно за 5 миллисекунд, что намного быстрее, чем большинство обычных резистивных термометров, примерно за одну десятую секунды. Термометры NIST также легко изготовить всего за один технологический этап. Их можно производить серийно:более 1200 шт. на кремниевой пластине диаметром 3 дюйма (примерно 75 мм).