NIST-Sensorexperten erfinden superkaltes Mini-Thermometer

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein miniaturisiertes supraleitendes Thermometer mit großem Anwendungspotenzial erfunden, wie z. B. die Überwachung der Temperatur von Prozessorchips in Quantencomputern auf Supraleiterbasis, die kalt bleiben müssen, um richtig zu funktionieren.

Das Thermometer misst Temperaturen unter 1 Kelvin (minus 272,15 °C/minus 457,87 °F), bis hinunter zu 50 Millikelvin (mK) und möglicherweise 5 mK. Es ist kleiner, schneller und praktischer als herkömmliche kryogene Thermometer für Geräte im Chipmaßstab und könnte in Massenproduktion hergestellt werden.

Die Technologie ist ein Spin-off der kundenspezifischen supraleitenden Sensoren von NIST für Teleskopkameras. Das neue Thermometer ist nur 2,5 mal 1,15 Millimeter groß und kann in ein anderes kryogenes Mikrowellengerät eingebettet oder daran geklebt werden, um dessen Temperatur zu messen, wenn es auf einem Chip montiert ist. Die Forscher verwendeten das Thermometer, um schnelle und genaue Messungen der Erwärmung eines supraleitenden Mikrowellenverstärkers zu demonstrieren.

„Das war eine lustige Idee, die sich schnell zu etwas sehr Hilfreichem entwickelt hat“, sagte Gruppenleiter Joel Ullom. „Mit dem Thermometer können Forscher die Temperatur einer breiten Palette von Komponenten in ihren Testpaketen zu sehr geringen Kosten und ohne Einführung einer großen Anzahl zusätzlicher elektrischer Verbindungen messen. Dies hat das Potenzial, Forschern zugute zu kommen, die auf dem Gebiet der 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 NIST-Thermometer basiert auf einer neuen Anwendung des Prinzips, dass die Eigenfrequenz des Resonators von der Temperatur abhängt. Das Thermometer bildet Frequenzänderungen 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 NIST-Thermometer misst die Temperatur in etwa 5 Millisekunden, viel schneller als die meisten herkömmlichen Widerstandsthermometer mit etwa einer Zehntelsekunde. Die NIST-Thermometer sind zudem einfach in nur einem Prozessschritt herzustellen. Sie können in Massenproduktion hergestellt werden, wobei mehr als 1200 auf einen 3-Zoll-Siliziumwafer (etwa 75 Millimeter) passen.