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

• Natuurkundigen hebben een nano-elektrische chip afgekoeld tot 2,8 millikelvin, waarmee ze een wereldrecord hebben gevestigd. 
• Ze gebruikten magnetische koeltechnieken om de temperatuur van chip- en elektrische verbindingen te verlagen. 
• Met enkele optimalisaties kan dezelfde techniek de limiet van 1 milliKelvin bereiken. 

Iedereen houdt ervan om te strijden om records en niets is beter dan het gevoel iets buitengewoons te bereiken. Zelfs wetenschappers breken graag records. Daarom werken verschillende teams van over de hele wereld aan een hightech koelsysteem om temperaturen zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt te bereiken.

Het absolute nulpunt (0 K of -273,15 °C) is het punt waarop natuurdeeltjes een minimale trillingsbeweging hebben, waarbij alleen de door kwantummechanische nulpuntsenergie geïnduceerde deeltjesbeweging behouden blijft. Deze extreem lage temperaturen bieden de ideale omstandigheden voor kwantumexperimenten en stellen ons in staat een geheel nieuw natuurkundig fenomeen te bestuderen.

Wetenschappers van de Universiteit van Basel hebben een nano-elektrische chip afgekoeld tot 2,8 milliKelvin. Om dit record te bereiken, gebruikten ze magnetische koeltechnieken om de temperatuur van de chip en zijn elektrische verbindingen te verlagen. Laten we eens in detail kijken naar wat ze hebben gebruikt om de koudste nano-elektronische chip te bouwen.

Magnetische koeling

De natuurkundigen gebruikten het principe van magnetische koeling in de nano-elektronica om apparaten tot dichtbij het absolute nulpunt te koelen. Bij deze techniek wordt een systeem afgekoeld door een magnetisch veld aan te leggen terwijl de externe warmtestroom wordt voorkomen. De hittemagnetisatie moet echter worden geëlimineerd voordat het magnetische veld wordt verlaagd.

In het bijzonder is de magnetische koeltechnologie gebaseerd op het magnetocalorisch effect – een magneto-thermodynamisch mechanisme waarbij een temperatuurverandering van een geschikt materiaal wordt veroorzaakt door het materiaal bloot te stellen aan een wisselend magnetisch veld.

In dit proces zorgt een daling van de externe magnetische veldsterkte ervoor dat het magnetische domein van het magnetocalorische materiaal gedesoriënteerd raakt van het magnetische veld via thermische energie (fotonen) die in het materiaal aanwezig is. Als het materiaal zo wordt geïsoleerd dat er geen energie kan remigreren, daalt de temperatuur naarmate de domeinen de thermische energie absorberen om hun oriëntatie uit te voeren.

Praseodymium, gelegeerd met nikkel, heeft bijvoorbeeld een zeer krachtig magnetocalorisch effect:het stelt natuurkundigen in staat om binnen 1 milliKelvin te komen.

Het minimale temperatuurniveau bereiken

Om tot op de duizendste graad van het absolute nulpunt te komen, gebruikte natuurkundigen een combinatie van twee koelsystemen, die beide gebaseerd zijn op magnetische koeling. Ze verlaagden de temperatuur van alle elektrische aansluitingen tot 150 microKelvin.

De volgende stap is het integreren van het tweede koelsysteem in de chip en het plaatsen van een Coulomb-blokkadethermometer. Dankzij de materiaalsamenstelling en de algehele constructie van het systeem konden ze een temperatuur bereiken die bijna zo laag was als het absolute nulpunt.

De metalen Coulomb-blokkadethermometer (CBT) is een betrouwbare en nauwkeurige elektronische thermometer die kan werken tot 10 milliKelvin en iets daaronder. Meestal bevat het lineaire reeksen Al/AlOx/Al-tunnelverbindingen met daartussen koperen metalen eilanden.

Deze figuur toont het schema met CBT ingesloten in een koperen doos (geel), bevestigd aan Ag-epoxy microgolffilters (grijs) en met Ag-epoxy op een Cu-plaat (oranje) geplakt. Figuur B is een elektronenmicrofoto van het CBT-eiland met tunnelverbindingen. Figuur C is slechts een vergrote weergave van de tunnelverbinding.

Met name de adiabatische demagnetisatie van zowel de elektronische leidingen als de grote metalen eilanden van een Coulomb-blokkadethermometer verminderde het externe warmtelek via leidingen en zorgde tegelijkertijd voor koeling op de chip. De temperaturen daalden tot 2,8 ± 0,1 milliKelvin. 

Voorlopig kunnen natuurkundigen deze extreem lage temperaturen bijna zeven uur volhouden, wat genoeg tijd is om een breed scala aan experimenten uit te voeren die ons zullen helpen de fysische eigenschappen die dicht bij het absolute nulpunt liggen beter te begrijpen.

Referentie:Scitatie | doi.org/10.1063/1.5002565 | Universiteit van Bazel 

Voordelen

Chip met CGT, voorbereid op experimenten | Bron:Universiteit van Bazel 

Het bereiken van zulke lage temperaturen in elektronische apparaten zou de sleutel kunnen zijn tot nieuwe kwantumtoestanden van zaken als spiraalvormige kernspinfasen, kwantum Hall-ferromagneten, fragiele fractionele kwantum Hall-satellieten of volledige nucleaire spinpolarisatie.

Bovendien kunnen hybride Majorana-apparaten en de samenhang van halfgeleider- en supergeleidende qubits profiteren van lagere temperaturen. We kunnen ook een parallel netwerk van nucleaire koelkasten ontwikkelen om de bekende methodologie van adiabatische nucleaire demagnetisatie aan te passen voor experimenten met elektronisch transport.

Wat is het volgende?

Om betere resultaten te krijgen, kunnen we de microgolffiltering verbeteren, de door trillingen veroorzaakte wervelstroomverwarming als gevolg van actieve demping verminderen, de ondersteunende structuur van de nucleaire fase bevestigen aan de magneetsteunconstructie en het mengkamerscherm.

Lees:De grootste Quantum Simulator met 53 Qubits

Dit zou ons helpen het inefficiënte voorkoelingsproces te verbeteren en het grote dynamische warmtelek te verminderen, waardoor de eindtemperatuur na adiabatische nucleaire demagnetisatie zou worden verlaagd. Het onderzoeksteam beweert dat dezelfde techniek de limiet van 1 milliKelvin zou kunnen bereiken.