Weltrekord: Nanoelektronischer Chip auf 2,8 Millikelvin gekühlt

• Physiker kühlten einen nanoelektronischen Chip auf 2,8 Millikelvin ab – ein Weltrekord.
• Sie nutzten magnetische Kühltechniken, um die Temperatur des Chips und der elektrischen Anschlüsse zu senken.
• Mit Optimierungen könnte dieselbe Technik die 1-Millikelvin-Grenze erreichen.

Jeder liebt Rekorde, und nichts ist befriedigender, als etwas Außergewöhnliches zu erreichen. Auch Wissenschaftler brechen gerne Rekorde – deshalb arbeiten mehrere Teams weltweit an Hochleistungs-Kühlsystemen, um Temperaturen so nah wie möglich an den absoluten Nullpunkt zu bringen.

Der absolute Nullpunkt (0 K oder -273,15 °C) ist der Punkt, an dem Teilchen minimale Schwingungsbewegung haben und nur noch quantenmechanische Nullpunktsenergie-induzierte Bewegung aufweisen. Diese extrem niedrigen Temperaturen bieten ideale Bedingungen für Quantenexperimente und ermöglichen die Erforschung völlig neuer physikalischer Phänomene.

Wissenschaftler der Universität Basel kühlten einen nanoelektronischen Chip auf 2,8 Millikelvin ab. Um diesen Rekord zu erreichen, nutzten sie magnetische Kühltechniken, um die Temperatur des Chips und seiner elektrischen Verbindungen zu reduzieren. Schauen wir im Detail an, was sie für den kältesten nanoelektronischen Chip verwendet haben.

Magnetische Kühlung

Die Physiker nutzten das Prinzip der magnetischen Kühlung in der Nanoelektronik, um Geräte nahe an den absoluten Nullpunkt zu kühlen. Dabei wird ein System durch Anlegen eines Magnetfelds abgekühlt, während externer Wärmeeintrag verhindert wird. Die Wärmemagnetisierung muss jedoch beseitigt werden, bevor das Magnetfeld wieder abgebaut wird.

Konkret basiert die magnetische Kühltechnologie auf dem magnetokalorischen Effekt – einem magnetothermodynamischen Mechanismus, bei dem eine Temperaturänderung eines geeigneten Materials durch Aussetzen an ein variierendes Magnetfeld verursacht wird.

In diesem Prozess ermöglicht ein Abfall der externen Feldstärke den magnetischen Domänen des magnetokalorischen Materials, sich durch thermische Energie (Photonen) im Material vom Magnetfeld zu desorientieren. Ist das Material isoliert, sodass keine Energie zurückfließen kann, sinkt die Temperatur, da die Domänen thermische Energie absorbieren, um ihre Orientierung auszuführen.

Beispiel: Praseodym-Nickel-Legierung zeigt einen sehr starken magnetokalorischen Effekt – sie ermöglicht Physikern, bis auf 1 Millikelvin heranzukommen.

Erreichen der Minimaltemperatur

Um auf ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kommen, nutzten die Physiker eine Kombination zweier Kühlsysteme, beide basierend auf magnetischer Kühlung. Sie reduzierten die Temperatur aller elektrischen Anschlüsse auf 150 Mikrokelvin.

Der nächste Schritt war die Integration des zweiten Kühlsystems in den Chip und das Aufbringen eines Coulomb-Blockade-Thermometers darauf. Die Materialzusammensetzung und der Gesamtaufbau ermöglichten Temperaturen fast am absoluten Nullpunkt.