Supercooles Mini-Thermometer

Forscher haben ein miniaturisiertes supraleitendes Thermometer entwickelt, das Temperaturen unter 1 Kelvin (-272,15 °C oder -457,87 °F), bis hinunter zu 50 Millikelvin (mK) und möglicherweise 5 mK misst. Es ist kleiner, schneller und praktischer als herkömmliche kryogene Thermometer für Geräte im Chipmaßstab und könnte in Massenproduktion hergestellt werden.

Mit einer Größe von 2,5 × 1,15 Millimetern kann das Thermometer in ein anderes kryogenes Mikrowellengerät eingebettet oder daran geklebt werden, um dessen Temperatur zu messen, wenn es auf einem Chip montiert ist. Das Thermometer wurde verwendet, um schnelle und genaue Messungen der Erwärmung eines supraleitenden Mikrowellenverstärkers zu demonstrieren.

Das Thermometer ermöglicht es Forschern, die Temperatur einer Vielzahl von Komponenten in Testgehäusen zu sehr geringen Kosten und ohne die Einführung einer großen Anzahl zusätzlicher elektrischer Verbindungen zu messen. Dies hat das Potenzial, Forschern zugute zu kommen, die im Bereich Quantencomputer arbeiten oder Niedertemperatursensoren in einer Vielzahl von Bereichen verwenden.

Das Thermometer besteht aus einem mit Siliziumdioxid beschichteten supraleitenden Niob-Resonator. Die Beschichtung interagiert mit dem Resonator, um die Frequenz zu verschieben, mit der er natürlich schwingt. Wissenschaftler vermuten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass Atome zwischen zwei Stellen „tunneln“, ein quantenmechanischer Effekt.

Das Thermometer basiert auf einer neuen Anwendung des Prinzips, dass die Eigenfrequenz des Resonators von der Temperatur abhängt. Das Thermometer bildet Frequenzänderungen, die von der Elektronik gemessen werden, auf eine Temperatur ab. Herkömmliche Thermometer für Sub-Kelvin-Temperaturen hingegen basieren auf dem elektrischen Widerstand. Sie erfordern eine Verkabelung, die zu Raumtemperaturelektronik geführt wird, was die Komplexität erhöht und möglicherweise Erwärmung und Interferenzen verursacht.

Das neue Thermometer misst die Temperatur in etwa 5 Millisekunden – viel schneller als die meisten herkömmlichen Widerstandsthermometer mit etwa einer Zehntelsekunde. Die Thermometer sind zudem einfach in nur einem Prozessschritt herzustellen. Sie können in Massenproduktion hergestellt werden, wobei mehr als 1.200 auf einen 3"-Siliziumwafer (ca. 75 Millimeter) passen.