Udvikling af ultrakolde kredsløb:Fysikere sætter en ny lavtemperaturrekord

Når materialer køles ned til ekstremt lave temperaturer, afviger deres adfærd ofte meget fra den ved stuetemperatur. Et velkendt eksempel er superledning:Under en kritisk temperatur leder nogle metaller og andre stoffer elektrisk strøm uden tab. Ved endnu lavere temperaturer kan der opstå yderligere kvantefysiske effekter, som er relevante for såvel grundforskning som for anvendelser inden for kvanteteknologier.

Men at nå sådanne temperaturer - mindre end en tusindedel af en grad over det absolutte nulpunkt på 0 Kelvin eller -273,15 grader Celsius - er ekstremt vanskeligt. Fysikere i forskergruppen af ​​prof. Dr. Dominik Zumbühl ved universitetet i Basel har sammen med kolleger ved VTT Technical Research Center i Finland og ved Lancaster University i England nu sat ny lavtemperaturrekord. Deres resultater er netop blevet offentliggjort i Physical Review Research.

Køling med magnetfelter

"At køle et materiale meget kraftigt ned er ikke det eneste problem," forklarer Christian Scheller, seniorforsker i Zumbühls laboratorium. "Man skal også pålideligt måle de ekstremt lave temperaturer."

I deres eksperimenter afkølede forskerne et lille elektrisk kredsløb lavet af kobber på en siliciumchip ved først at udsætte det for et stærkt magnetfelt, derefter afkøle det med et specielt køleskab kendt som en kryostat og til sidst rampe magnetfeltet langsomt ned. På denne måde blev de nukleare spins af kobberatomerne i chippen oprindeligt justeret som små magneter og effektivt kølet endnu mere ned, da en rampning af magnetfeltet til sidst førte til et fald i deres magnetiske energi.

"Vi har arbejdet med sådanne teknikker i et årti nu, men indtil videre var de laveste temperaturer, der kunne nås på denne måde, begrænset af køleskabets vibrationer," siger Omid Sharifi Sedeh, der var involveret i eksperimenterne som en Ph.D. studerende.

De vibrationer, som opstår som følge af den kontinuerlige kompression og sjældenhed af kølemidlet helium i en såkaldt "tør" kryostat, opvarmer chippen betydeligt. For at undgå det har forskerne udviklet en ny prøveholder, der er forbundet så stærkt, at chippen kan afkøles til meget lave temperaturer på trods af vibrationerne.

Robust termometer

For nøjagtigt at måle disse temperaturer forbedrede Zumbühl og hans samarbejdspartnere et specielt termometer, der er integreret i kredsløbet. Termometeret består af kobberøer, der er forbundet med såkaldte tunnelkryds. Elektroner kan bevæge sig gennem disse kryds mere eller mindre let afhængigt af temperaturen.

Fysikerne fandt en metode til at gøre termometeret mere robust over for materialefejl og samtidig mere temperaturfølsomt. Dette gav dem endelig mulighed for at måle en temperatur på kun 220 milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt (220 mikro Kelvin).

Basel-forskerne vil i fremtiden bruge deres metode til at sænke temperaturen med endnu en faktor ti og på sigt også køle halvledermaterialer. Det vil bane vejen for studier af nye kvanteeffekter og forskellige applikationer, såsom optimering af qubits i kvantecomputere. + Udforsk yderligere

Den koldeste chip i verden