Мировой рекорд:наноэлектронный чип, охлажденный до 2,8 миллиКельвина

• Физики охладили наноэлектрический чип до 2,8 милликельвина, установив мировой рекорд. 
• Они использовали методы магнитного охлаждения для снижения температуры чипа и электрических соединений. 
• При некоторой оптимизации тот же метод может достичь предела в 1 миллиКельвин. 

Каждый любит соревноваться за рекорды, и нет ничего лучше, чем ощущение достижения чего-то экстраординарного. Даже учёным нравится бить рекорды, поэтому несколько команд со всего мира работают над высокотехнологичной системой охлаждения, позволяющей достигать температур, максимально близких к абсолютному нулю.

Абсолютный ноль (0 К или -273,15°C) — это точка, в которой частицы природы имеют минимальное колебательное движение, сохраняя только квантовомеханическое нулевое движение частиц, индуцированное энергией. Эти чрезвычайно низкие температуры обеспечивают идеальные условия для квантового эксперимента и позволяют нам изучать совершенно новые физические явления.

Ученые из Базельского университета охладили наноэлектрический чип до 2,8 миллиКельвина. Чтобы достичь этого рекорда, они использовали методы магнитного охлаждения, чтобы снизить температуру чипа и его электрических соединений. Давайте узнаем подробнее о том, из чего был построен самый холодный наноэлектронный чип.

Магнитное охлаждение

Физики использовали принцип магнитного охлаждения в наноэлектронике для охлаждения устройств, близких к абсолютному нулю. В этом методе система охлаждается за счет приложения магнитного поля, предотвращая при этом внешний тепловой поток. Однако перед уменьшением магнитного поля необходимо устранить тепловую намагниченность.

В частности, технология магнитного охлаждения основана на магнитокалорическом эффекте – магнитотермодинамическом механизме, при котором изменение температуры соответствующего материала вызывается воздействием на него изменяющегося магнитного поля.

В этом процессе падение напряженности внешнего магнитного поля позволяет магнитному домену магнитокалорического материала дезориентироваться относительно магнитного поля за счет тепловой энергии (фотонов), присутствующей в материале. Если материал изолирован так, что энергия не может повторно мигрировать, температура снижается, поскольку домены поглощают тепловую энергию для выполнения своей ориентации.

Например, празеодим, легированный никелем, обладает очень мощным магнитокалорическим эффектом – он позволяет физикам достигать температуры в пределах 1 миллиКельвина.

Достижение минимального уровня температуры

Чтобы достичь одной тысячной градуса абсолютного нуля, физик использовал комбинацию двух систем охлаждения, обе из которых основаны на магнитном охлаждении. Они снизили температуру всех электрических соединений до 150 микроКельвинов.

Следующий шаг — интегрировать в чип вторую систему охлаждения и разместить на ней термометр с кулоновской блокадой. Состав материала и общая конструкция системы позволили им достичь температуры почти такой же низкой, как абсолютный ноль.

Металлический термометр кулоновской блокады (CBT) — это надежный и точный электронный термометр, способный работать при температуре до 10 миллиКельвинов и немного ниже. Обычно он содержит линейные массивы туннельных переходов Al/AlOx/Al с островками металлической меди между ними.

На этом рисунке показана схема CBT, заключенная в медную коробку (желтый), прикрепленная к микроволновым фильтрам из Ag-эпоксидной смолы (серые) и прикрепленная к медной пластине (оранжевая) с помощью Ag-эпоксидной смолы. Рисунок B представляет собой электронную микрофотографию острова CBT с туннельными переходами. На рисунке C — увеличенный вид туннельного перехода.

В частности, адиабатическое размагничивание как электронных выводов и больших металлических островков кулоновского блокадного термометра уменьшило внешнюю утечку тепла через выводы, обеспечивая при этом охлаждение внутри кристалла. Температура упала до 2,8 ± 0,1 милликельвина. 

На данный момент физики могут поддерживать эти чрезвычайно низкие температуры в течение почти 7 часов, что достаточно для проведения широкого спектра экспериментов, которые помогут нам лучше понять физические свойства, близкие к абсолютному нулю.

Ссылка:Сцитация | doi.org/10.1063/1.5002565 | Базельский университет 

Преимущества

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

Достижение таких низких температур в электронных устройствах может стать ключом к новым квантовым состояниям таких веществ, как спиральные фазы ядерного спина, квантовые ферромагнетики Холла, хрупкие дробные квантовые состояния Холла или полная поляризация ядерного спина.

Более того, гибридные устройства Майораны и когерентность полупроводниковых и сверхпроводящих кубитов могут выиграть от более низких температур. Мы также можем разработать параллельную сеть ядерных холодильников, чтобы адаптировать известную методологию адиабатического ядерного размагничивания для экспериментов по электронному транспорту.

Что дальше?

Чтобы получить лучшие результаты, мы можем улучшить микроволновую фильтрацию, уменьшить нагрев вихревыми токами, вызванный вибрацией из-за активного демпфирования, прикрепить опорную конструкцию ядерной ступени к узлу опоры магнита и экрану камеры смешения.

Читайте:Самый большой квантовый симулятор с 53 кубитами

Это поможет нам улучшить неэффективный процесс предварительного охлаждения, а также уменьшить большую динамическую утечку тепла, снизив конечную температуру после адиабатического ядерного размагничивания. Исследовательская группа утверждает, что с помощью того же метода можно достичь предела в 1 милликельвин.