Мировой рекорд: наноэлектронный чип охлажден до 2,8 милликельвина

• Физикам удалось охладить наноэлектронный чип до 2,8 милликельвина, установив мировой рекорд.
• Использовались методы магнитного охлаждения для снижения температуры чипа и электрических соединений.
• С некоторыми оптимизациями та же техника может достичь предела в 1 милликельвин.

Все любят соревноваться за рекорды, и нет лучшего чувства, чем достичь чего-то необычного. Даже ученые стремятся побивать рекорды — поэтому несколько команд по всему миру работают над высокотехнологичными системами охлаждения, чтобы приблизиться к абсолютному нулю максимально близко.

Абсолютный ноль (0 К или –273,15 °C) — точка, где частицы имеют минимальное вибрационное движение, сохраняя только квантовую механическую энергию нулевой точки. Такие экстремально низкие температуры создают идеальные условия для квантовых экспериментов и позволяют изучать принципиально новые физические явления.

Ученые Базельского университета охладили наноэлектронный чип до 2,8 милликельвина. Для достижения рекорда они использовали магнитное охлаждение для снижения температуры чипа и его электрических соединений. Разберем детали того, как им удалось создать самый холодный наноэлектронный чип.

Магнитное хладотехническое охлаждение

Физики применили принцип магнитного охлаждения в наноэлектронике для приближения устройств к абсолютному нулю. В этой технике система охлаждается путем приложения магнитного поля с предотвращением внешнего теплового потока. Однако тепло намагничивания должно быть устранено до снижения магнитного поля.

Конкретно, магнитное охлаждение основано на магнитокалорическом эффекте — магнитотермодинамическом механизме, при котором изменение температуры подходящего материала вызывается его воздействием переменного магнитного поля.

В этом процессе снижение внешнего магнитного поля позволяет магнитным доменам магнитокалорического материала дезориентироваться от поля за счет тепловой энергии (фотонов), присутствующей в материале. Если материал изолирован так, что энергия не может мигрировать обратно, температура падает, так как домены поглощают тепловую энергию для своей ориентации.

Например, сплав празеодима с никелем обладает очень сильным магнитокалорическим эффектом — он позволяет физикам достичь 1 милликельвина.

Достижение минимального уровня температуры

Чтобы достичь тысячной доли градуса от абсолютного нуля, физики использовали комбинацию двух систем охлаждения, обе основанные на магнитном холодильнике. Они снизили температуру всех электрических соединений до 150 микрокельвинов.

Следующий шаг — интеграция второй системы охлаждения в чип и установка на него термометра кулоновской блокады. Материальный состав и общая конструкция системы позволили достичь температуры, почти равной абсолютному нулю.

Металлический термометр кулоновской блокады (CBT) — надежный и точный электронный термометр, способный работать до 10 милликельвинов и чуть ниже. Обычно он содержит линейные массивы туннельных переходов Al/AlOx/Al с медными металлическими островами между ними.

На рисунке показана схема с CBT в медной коробке (желтый), прикрепленном к микроволновым фильтрам Ag-epoxy (серый) и приклеенному к медной пластине (оранжевый) с Ag-epoxy. Рисунок B — электронный микрограф острова CBT с туннельными переходами. Рисунок C — увеличенный вид туннельного перехода.

В частности, адъиабатическая демагнитизация как электронных выводов, так и больших металлических островов термометра кулоновской блокады снизила внешнюю тепловую утечку через выводы, обеспечивая накристаллическое охлаждение. Температура составила 2,8 ± 0,1 милликельвина.

На данный момент физики могут удерживать такие экстремально низкие температуры почти 7 часов — достаточно для широкого спектра экспериментов, помогающих лучше понять физические свойства вблизи абсолютного нуля.

Источник: Scitation | doi.org/10.1063/1.5002565 | Базельский университет

Преимущества

Чип с CBT, подготовленный для экспериментов | Источник: Базельский университет

Достижение таких низких температур в электронных приборах может стать ключом к новым квантовым состояниям материи: спиралевидным ядерным спиновым фазам, квантовым холловым ферромагнетикам, хрупким дробным квантовым холловым состояниям или полной ядерной спиновой поляризации.

Кроме того, гибридные мажорановские приборы и когерентность полупроводниковых и сверхпроводящих кубитов могут выиграть от более низких температур. Можно также разработать параллельную сеть ядерных холодильников для адаптации известной методологии адъиабатической ядерной демагнитизации для экспериментов с электронным транспортом.

Что дальше?

Для улучшения результатов можно усилить микроволновую фильтрацию, уменьшить нагрев вихревыми токами, вызванный вибрациями из-за активного демпфирования, зафиксировать опорную структуру ядерной ступени к магнитной опорной сборке и экрану камеры смешивания.

Читайте также: Крупнейший квантовый симулятор с 53 кубитами

Это поможет улучшить неэффективный процесс предварительного охлаждения и уменьшить большую динамическую тепловую утечку, снижая конечную температуру после адъиабатической ядерной демагнитизации. Исследовательская команда утверждает, что та же техника может достичь предела в 1 милликельвин.