Wereldrecord: nano-elektronische chip gekoeld tot 2,8 milliKelvin

Nulgraden benadering: magnetische koeling doorbreekt barrière

Fysici van de Universiteit van Basel hebben een nano-elektronische chip gekoeld tot 2,8 milliKelvin (0,0028 K), een wereldrecord. Ze gebruikten magnetische koeltechnieken voor zowel de chip als de elektrische verbindingen. Met optimalisaties is 1 milliKelvin haalbaar.

Magnetische koeling: principe en werking

De techniek berust op het magnetocalorische effect: een temperatuurverandering in een materiaal door aanleg van een wisselend magnetisch veld. Bij isolatie absorberen magnetische domeinen thermische energie om zich te orienteren, wat de temperatuur doet dalen. Materialen als praseodymium-nickel tonen een sterk effect en kunnen <1 milliKelvin bereiken.

Twee-staps koelsysteem

1. Eerste systeem: koelt alle elektrische verbindingen tot 150 microKelvin.
2. Tweede systeem: geïntegreerd in de chip met een Coulomb-blokkade thermometer (CBT) voor on-chip koeling.

De CBT bevat lineaire arrays van Al/AlOx/Al tunneljuncties met koperen eilanden. Adiabatische demagnetisatie van zowel elektronische leads als metallen eilanden verminderde warmtelekkage en leverde on-chip koeling.

Resultaat en stabiliteit

Temperatuur: 2,8 ± 0,1 milliKelvin, stabiel voor ~7 uur — voldoende voor uitgebreide kwantumexperimenten.

Toepassingen in kwantumfysica

• Nieuwe kwantumtoestanden: helicale kernspinfasen, kwantum-Hall ferromagneten, fraktionele kwantum-Hall toestanden
• Hybride Majorana-apparaten
• Coherentie van semiconductor- en supergeleidende qubits
• Parallele netwerken van kernkoelers voor elektrontransport-experimenten

Toekomstige verbeteringen

Betere microgolf-filtering, vermindering van trilling-geïnduceerde Foucault-stroom verwarming, verbeterde ondersteuningsstructuren. Het team verwacht de 1 milliKelvin limiet haalbaar te maken.