Ultra-koude miniatuur thermometer: 50 mK precisie op een chip

Onderzoekers hebben een miniatuur supergeleidende thermometer ontwikkeld die temperaturen onder 1 kelvin (-272,15 °C of -457,87 °F) meet, tot 50 millikelvin (mK) en potentieel 5 mK. Het is kleiner, sneller en handiger dan conventionele cryogene thermometers voor chip-schaal apparaten en kan massaproduceerd worden.

Met een afmeting van 2,5 × 1,15 millimeter, kan de thermometer in een andere cryogene microgolf-apparaat ingebed of eraan geplakt worden om de temperatuur te meten wanneer op een chip gemonteerd. De thermometer werd gebruikt om snelle, accurate metingen van de opwarming van een supergeleidende microgolf-versterker te demonstreren.

De thermometer stelt onderzoekers in staat om de temperatuur van een breed bereik aan componenten in testpakketten te meten bij heel lage kosten en zonder een groot aantal extra elektrische verbindingen in te voeren. Dit heeft het potentieel om onderzoekers die werken in kwantumcomputing of lage-temperatuursensoren in een breed scala aan velden te laten profiteren.

De thermometer bestaat uit een supergeleidende niobium-resonator gecoat met siliciumdioxide. De coating interageert met de resonator om de frequentie waarop het van nature trilt te verschuiven. Wetenschappers vermoeden dat dit komt door atomen die "tunnelen" tussen twee plaatsen, een kwantum-mechanisch effect.

De thermometer is gebaseerd op een nieuwe toepassing van het principe dat de natuurlijke frequentie van de resonator afhangt van de temperatuur. De thermometer kaart frequentieveranderingen, gemeten door elektronica, naar een temperatuur. In tegenstelling tot conventionele thermometers voor sub-Kelvin-temperaturen die gebaseerd zijn op elektrische weerstand. Die vereisen bedrading geroute naar kamertemperatuur-elektronica, wat complexiteit toevoegt en potentieel opwarming en interferentie veroorzaakt.

De nieuwe thermometer meet temperatuur in ongeveer 5 milliseconden — veel sneller dan de meeste conventionele resistieve thermometers van ongeveer een tiende seconde. De thermometers zijn ook makkelijk te fabriceren in slechts één processtap. Ze kunnen massaproduceerd worden, met meer dan 1.200 passend op een 3" (ongeveer 75-millimeter) silicium-wafer.