Ny rekord i nanoelektronik ved ultralave temperaturer

Den første måling nogensinde af temperaturen på elektroner i en nanoelektronisk enhed et par tusindedele af en grad over det absolutte nul blev påvist i et fælles forskningsprojekt udført af VTT Technical Research Center of Finland Ltd, Lancaster University, og Aivon Ltd. Det lykkedes teamet at gøre elektronerne i et kredsløb på en siliciumchip koldere end tidligere var opnået.

Selvom det længe har været muligt at afkøle prøver af bulkmetaller, selv under 1 millikelvin, det har vist sig meget vanskeligt at overføre denne temperatur til elektroner i små elektroniske enheder, hovedsagelig fordi interaktionen mellem de ledende elektroner og krystalgitteret bliver ekstremt svag ved lave temperaturer. Ved at kombinere state-of-the-art mikro- og nanofabrikation og banebrydende målingstilgange realiserede forskergruppen ultralave elektrontemperaturer, der nåede 3,7 millikelvin i en nanoelektronisk elektrontunnelindretning. En videnskabelig artikel om emnet blev offentliggjort i Naturkommunikation den 27. januar, 2016.

Dette gennembrud baner vejen mod sub-millikelvin nanoelektroniske kredsløb og er endnu et skridt på vejen til at udvikle nye kvanteteknologier, herunder kvantecomputere og sensorer. Kvanteteknologier bruger kvantemekaniske effekter til at overgå enhver mulig teknologi, der kun er baseret på klassisk fysik. Generelt, mange højfølsomme magnetfeltsensorer og strålingsdetektorer kræver lave temperaturer blot for at reducere skadelig termisk støj.

Dette arbejde markerer oprettelsen af ​​en vigtig muliggørelsesteknologi, som vil lette F&U inden for nanovidenskab, solid-state fysik, materialevidenskab og kvanteteknologi. Den demonstrerede nanoelektroniske enhed er et såkaldt primært termometer, dvs. et termometer, som ikke kræver kalibrering. Dette gør teknologien meget attraktiv til applikationer og metrologi ved lave temperaturer.

Gennembruddet blev muliggjort ved at samle internationalt førende grupper og eksperter, der hver især har deres egen track record af resultater inden for nanoteknologier og højtydende sensorer (VTT Technical Research Center of Finland Ltd), brugerdefineret støjsvag elektronik (Aivon Ltd, Finland) og ultralav temperaturkøling og enhedskarakterisering (Ultra Low Temperature Physics -gruppen og Quantum Technology Center i Lancaster).

VTT undersøger mulighederne sammen med BlueFors Cryogenics for at kommercialisere den primære termometerkomponent.

Dr Mika Prunnila, Nanoelectronics Research Team Leader hos VTT, sagde:"Oprettelse af et nyt måleværktøj til kalibreringsfri termometri er et stort skridt fremad. Dette er en vigtig enhed for kvantemaskiner, der har brug for lavtemperaturmiljøet for at fungere, og enheden er tilgængelig lige nu til benchmarking af forskellige systemer."

Dr. Rich Haley, Leder af Ultra Low Temperature Physics i Lancaster, sagde:"Dette er en bemærkelsesværdig præstation, idet holdet endelig har brudt igennem 4 millikelvin -barrieren, som har været rekorden i sådanne strukturer i over 15 år. "

Dr. Jon Prance fra Lancaster Quantum Technology Center sagde:"Ikke alene har vi målt den koldeste nanoelektroniske temperatur nogensinde, men vi har også demonstreret teknikker, der åbner døren for endnu lavere temperaturer. "