Ультрахолодный миниатюрный термометр: Точность 50 мК на чипе

Исследователи разработали миниатюрный сверхпроводящий термометр, измеряющий температуры ниже 1 кельвина (-272,15 °C или -457,87 °F), до 50 милликельвинов (мК) и потенциально 5 мК. Он меньше, быстрее и удобнее традиционных криогенных термометров для чип-масштабных устройств и может быть массово произведен.

Измеряя 2,5 × 1,15 миллиметра в размере, термометр может быть встроен в или приклеен к другому криогенному микроволновому устройству для измерения его температуры при монтировке на чипе. Термометр был использован для демонстрации быстрых, точных измерений нагрева сверхпроводящего микроволнового усилителя.

Термометр позволяет исследователям измерять температуру широкого диапазона компонентов в тестовых пакетах при очень малой стоимости и без введения большого количества дополнительных электрических соединений. Это имеет потенциал для пользы исследователям, работающим в квантовых вычислениях или использующим низкотемпературные сенсоры в широком диапазоне областей.

Термометр состоит из сверхпроводящего ниобиевого резонатора, покрытого диоксидом кремния. Покрытие взаимодействует с резонатором, сдвигая частоту, на которой он естественно вибрирует. Ученые подозревают, что это связано с атомами «туннелирующими» между двумя сайтами, квантово-механическим эффектом.

Термометр основан на новом применении принципа, что естественная частота резонатора зависит от температуры. Термометр отображает изменения частоты, измеренные электроникой, в температуру. В отличие от этого, традиционные термометры для суб-кельвинных температур основаны на электрическом сопротивлении. Они требуют проводки, проложенной к комнатно-температурной электронике, добавляя сложность и потенциально вызывая нагрев и интерференции.

Новый термометр измеряет температуру примерно за 5 миллисекунд — намного быстрее, чем большинство традиционных резистивных термометров за около одной десятой секунды. Термометры также легко фабрикуются всего в один процессный шаг. Их можно массово производить, с более чем 1200 помещающимися на 3-дюймовой (примерно 75-миллиметровой) кремниевой подложке.