Ultra-kaltes Miniatur-Thermometer: 50 mK Präzision auf einem Chip

Forscher haben ein miniaturisches supraleitendes Thermometer entwickelt, das Temperaturen unter 1 Kelvin (-272,15 °C oder -457,87 °F) misst, bis hinunter zu 50 Millikelvin (mK) und potenziell 5 mK. Es ist kleiner, schneller und praktischer als konventionelle kryogene Thermometer für Chip-Skalen-Geräte 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 befestigt werden, um dessen Temperatur zu messen, wenn es auf einem Chip montiert ist. Das Thermometer wurde verwendet, um schnelle, präzise Messungen der Erwärmung eines supraleitenden Mikrowellenverstärkers zu demonstrieren.

Das Thermometer ermöglicht Forschern, die Temperatur einer Vielzahl von Komponenten in Testgehäusen bei sehr geringen Kosten und ohne Einführung einer großen Anzahl zusätzlicher elektrischer Verbindungen zu messen. Dies hat das Potenzial, Forschern in Quantencomputing oder bei der Nutzung von Tieftemperatursensoren in einer Vielzahl von Bereichen zu nützen.

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

Das Thermometer basiert auf einer neuen Anwendung des Prinzips, dass die natürliche Frequenz des Resonators von der Temperatur abhängt. Das Thermometer ordnet Frequenzänderungen, wie sie von der Elektronik gemessen werden, einer Temperatur zu. Im Gegensatz dazu basieren konventionelle Thermometer für sub-Kelvin-Temperaturen auf elektrischem Widerstand. Sie erfordern Verkabelung zu Raumtemperatur-Elektronik, was Komplexität hinzufügt und potenziell Erwärmung und Interferenzen verursacht.

Das neue Thermometer misst die Temperatur in etwa 5 Millisekunden – viel schneller als die meisten konventionellen Widerstandsthermometer bei etwa einem Zehntel Sekunde. Die Thermometer sind auch in nur einem einzigen Prozessschritt einfach herzustellen. Sie können in Massenproduktion gefertigt werden, wobei mehr als 1.200 auf einen 3-Zoll- (ca. 75 Millimeter) Siliziumwafer passen.