Sensoreksperter opfinder supercoolt minitermometer

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opfundet et miniaturetermometer med store potentielle anvendelser såsom overvågning af temperaturen på processorchips i superlederbaserede kvantecomputere, som skal forblive kolde for at fungere ordentligt.

NISTs superledende termometer måler temperaturer under 1 Kelvin (minus 272,15 °C eller minus 457,87 °F), ned til 50 milliKelvin (mK) og potentielt 5 mK. Den er mindre, hurtigere og mere bekvemt end konventionelle kryogene termometre til chip-skala enheder og kunne masseproduceres. NIST-forskere beskriver designet og driften i et nyt tidsskrift.

Kun 2,5 gange 1,15 millimeter i størrelse, det nye termometer kan indlejres i eller klæbes til en anden kryogen mikrobølgeenhed for at måle dens temperatur, når den er monteret på en chip. Forskerne brugte termometeret til at demonstrere hurtigt, nøjagtige målinger af opvarmningen af ​​en superledende mikrobølgeforstærker.

Teknologien er en spinoff af NISTs brugerdefinerede superledende sensorer til teleskopkameraer, specifikt mikrobølgedetektorer leveret til BLAST ballonen.

"Dette var en sjov idé, der hurtigt voksede til noget meget nyttigt, " Gruppeleder Joel Ullom sagde. "Termometeret giver forskere mulighed for at måle temperaturen på en lang række komponenter i deres testpakker til meget lave omkostninger og uden at indføre et stort antal ekstra elektriske forbindelser. Dette har potentiale til at gavne forskere, der arbejder med kvanteberegning eller bruger lavtemperatursensorer inden for en lang række områder."

Termometeret består af en superledende niobiumresonator belagt med siliciumdioxid. Belægningen interagerer med resonatoren for at ændre den frekvens, hvormed den naturligt vibrerer. Forskere formoder, at dette skyldes, at atomer "tunnelerer" mellem to steder, en kvantemekanisk effekt.

NIST-termometeret er baseret på en ny anvendelse af princippet om, at resonatorens egenfrekvens afhænger af temperaturen. Termometeret kortlægger ændringer i frekvens, målt med elektronik, til en temperatur. Derimod konventionelle termometre til sub-Kelvin temperaturer er baseret på elektrisk modstand. De kræver ledninger ført til stuetemperaturelektronik, tilføjer kompleksitet og potentielt forårsage opvarmning og interferens.

NIST-termometeret måler temperaturen på omkring 5 millisekunder (tusindedele af et sekund), meget hurtigere end de fleste konventionelle resistive termometre med omkring en tiendedel af et sekund. NIST-termometrene er også nemme at fremstille i kun et enkelt procestrin. De kan masseproduceres, med mere end 1, 200 passer på en 3-tommer (ca. 75 millimeter) siliciumwafer.