NIST-sensorexperts vinden superkoude minithermometer uit

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een miniatuur supergeleidende thermometer uitgevonden met grote potentiële toepassingen, zoals het bewaken van de temperatuur van processorchips in op supergeleiders gebaseerde kwantumcomputers, die koud moeten blijven om goed te kunnen werken.

De thermometer meet temperaturen onder 1 kelvin (min 272.15°C/min 457.87°F), tot 50 millikelvin (mK) en mogelijk 5 mK. Het is kleiner, sneller en handiger dan conventionele cryogene thermometers voor apparaten op chipschaal en kan in massa worden geproduceerd.

De technologie is een spin-off van NIST's op maat gemaakte supergeleidende sensoren voor telescoopcamera's. De nieuwe thermometer is slechts 2,5 bij 1,15 millimeter groot en kan worden ingebed in of geplakt op een ander cryogeen microgolfapparaat om de temperatuur te meten wanneer deze op een chip is gemonteerd. De onderzoekers gebruikten de thermometer om snelle, nauwkeurige metingen van de verwarming van een supergeleidende microgolfversterker te demonstreren.

"Dit was een leuk idee dat al snel uitgroeide tot iets heel nuttigs", zei groepsleider Joel Ullom. “Met de thermometer kunnen onderzoekers de temperatuur meten van een breed scala aan componenten in hun testpakketten, tegen zeer lage kosten en zonder een groot aantal extra elektrische aansluitingen. Dit kan in het voordeel zijn van onderzoekers die werken in kwantumcomputing of die lage-temperatuursensoren gebruiken in een breed scala van gebieden.”

De thermometer bestaat uit een supergeleidende niobiumresonator bedekt met siliciumdioxide. De coating werkt samen met de resonator om de frequentie te verschuiven waarop deze van nature trilt. Wetenschappers vermoeden dat dit te wijten is aan het "tunnelen" van atomen tussen twee locaties, een kwantummechanisch effect.

De NIST-thermometer is gebaseerd op een nieuwe toepassing van het principe dat de eigenfrequentie van de resonator afhangt van de temperatuur. De thermometer brengt veranderingen in frequentie in kaart met een temperatuur. Daarentegen zijn conventionele thermometers voor temperaturen onder Kelvin gebaseerd op elektrische weerstand. Ze vereisen bedrading naar elektronica op kamertemperatuur, wat de complexiteit verhoogt en mogelijk verwarming en interferentie veroorzaakt.

De NIST-thermometer meet de temperatuur in ongeveer 5 milliseconden, veel sneller dan de meeste conventionele resistieve thermometers op ongeveer een tiende van een seconde. De NIST-thermometers zijn ook eenvoudig te fabriceren in slechts een enkele processtap. Ze kunnen in massa worden geproduceerd, met meer dan 1200 passen op een siliciumwafel van 3 inch (ongeveer 75 millimeter).