Ультрахолодные цепи

Охлаждение материалов до чрезвычайно низких температур важно как для фундаментальных физических исследований, так и для технологических приложений. Усовершенствовав специальный холодильник и низкотемпературный термометр, базельским ученым удалось охладить электрическую цепь на микросхеме до 220 микрокельвинов, что близко к абсолютному нулю.


Когда материалы охлаждаются до экстремально низких температур, их поведение часто сильно отличается от поведения при комнатной температуре. Известный пример — сверхпроводимость: ниже критической температуры некоторые металлы и другие вещества проводят электрический ток без потерь. При еще более низких температурах могут возникать дополнительные квантово-физические эффекты, важные как для фундаментальных исследований, так и для приложений в квантовых технологиях.

Однако достичь таких температур — менее одной тысячной градуса выше абсолютного нуля 0 Кельвина, или -273,15 градуса Цельсия, — чрезвычайно сложно. Физики из исследовательской группы профессора доктора Доминика Зумбюля из Базельского университета вместе с коллегами из Центра технических исследований VTT в Финляндии и Ланкастерского университета в Англии установили новый низкотемпературный рекорд. Их результаты только что были опубликованы в научном журнале. Исследование физического обзора.

Охлаждение магнитными полями

«Очень сильное охлаждение материала — не единственная проблема», — объясняет Кристиан Шеллер, старший научный сотрудник лаборатории Цумбюля: «Кроме того, необходимо надежно измерять эти чрезвычайно низкие температуры». В своих экспериментах исследователи охлаждали крошечную электрическую цепь из меди на кремниевом чипе, сначала подвергая ее воздействию сильного магнитного поля, затем охлаждая ее с помощью специального холодильника, известного как криостат, и в конечном итоге медленно уменьшая магнитное поле. Таким образом, ядерные спины атомов меди в чипе изначально были выровнены, как маленькие магниты, и эффективно охлаждались еще больше, когда, в конце концов, уменьшение магнитного поля привело к уменьшению их магнитной энергии.

«Мы работаем с такими методами уже десять лет, но до сих пор самые низкие температуры, которые можно было достичь таким образом, ограничивались вибрациями холодильника», — говорит Омид Шарифи Седэх, участвовавший в экспериментах в качестве исследователя. Аспирант. Те колебания, которые возникают при постоянном сжатии и разрежении хладагента гелия в так называемом «сухом» криостате, существенно нагревают чип. Чтобы избежать этого, исследователи разработали новый держатель образца, который имеет такую ​​прочную проводку, что чип можно охлаждать до очень низких температур, несмотря на вибрации.

Надежный термометр

Для точного измерения этих температур Цумбюль и его сотрудники усовершенствовали специальный термометр, встроенный в схему. Термометр состоит из медных островков, соединенных так называемыми туннельными переходами. Электроны могут двигаться через эти соединения более или менее легко в зависимости от температуры. Физики нашли способ сделать термометр более устойчивым к дефектам материала и в то же время более чувствительным к температуре. Это позволило им, наконец, измерить температуру всего на 220 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля (220 микрокельвинов).

В будущем исследователи из Базеля хотят использовать свой метод для снижения температуры еще в десять раз и, в конечном счете, для охлаждения полупроводниковых материалов. Это проложит путь к изучению новых квантовых эффектов и разнообразных приложений, таких как оптимизация кубитов в квантовых компьютерах.