Weltrekord:Nanoelektronischer Chip auf 2,8 Millikelvin gekühlt

• Physiker haben einen nanoelektrischen Chip auf 2,8 Millikelvin abgekühlt und damit einen Weltrekord aufgestellt. 
• Sie nutzten magnetische Kühltechniken, um die Temperatur von Chips und elektrischen Verbindungen zu senken. 
• Mit einigen Optimierungen könnte die gleiche Technik die 1-Millikelvin-Grenze erreichen. 

Jeder liebt es, um Rekorde zu kämpfen und nichts ist schöner als das Gefühl, etwas Außergewöhnliches zu erreichen. Auch Wissenschaftler brechen gerne Rekorde, weshalb mehrere Teams aus der ganzen Welt an einem High-Tech-Kühlsystem arbeiten, um Temperaturen möglichst nahe dem absoluten Nullpunkt zu erreichen.

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

Wissenschaftler der Universität Basel haben einen nanoelektrischen Chip auf 2,8 Millikelvin abgekühlt. Um diesen Rekord zu erreichen, verwendeten sie magnetische Kühltechniken, um die Temperatur des Chips und seiner elektrischen Verbindungen zu senken. Lassen Sie uns im Detail herausfinden, was sie zum Bau des kältesten nanoelektronischen Chips verwendet haben.

Magnetische Kühlung

Die Physiker nutzten das Prinzip der magnetischen Kühlung in der Nanoelektronik, um Geräte nahe dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Bei dieser Technik wird ein System durch Anlegen eines Magnetfelds abgekühlt und gleichzeitig der externe Wärmefluss verhindert. Allerdings sollte die Wärmemagnetisierung beseitigt werden, bevor das Magnetfeld verringert wird.

Insbesondere basiert die magnetische Kühltechnologie auf dem magnetokalorischen Effekt – einem magneto-thermodynamischen Mechanismus, bei dem eine Temperaturänderung eines geeigneten Materials dadurch verursacht wird, dass das Material einem variierenden Magnetfeld ausgesetzt wird.

Bei diesem Prozess führt ein Abfall der externen Magnetfeldstärke dazu, dass die magnetische Domäne des magnetokalorischen Materials durch die im Material vorhandene thermische Energie (Photonen) vom Magnetfeld abgelenkt wird. Wenn das Material isoliert ist, sodass keine Energie zurückwandern kann, sinkt die Temperatur, da die Domänen die Wärmeenergie absorbieren, um ihre Ausrichtung durchzuführen.

Beispielsweise hat mit Nickel legiertes Praseodym einen sehr starken magnetokalorischen Effekt – er ermöglicht es Physikern, eine Genauigkeit von weniger als 1 Millikelvin zu erreichen.

Erreichen des Mindesttemperaturniveaus

Um auf ein Tausendstel Grad des absoluten Nullpunkts zu kommen, verwendeten Physiker eine Kombination aus zwei Kühlsystemen, die beide auf magnetischer Kühlung basieren. Sie reduzierten die Temperatur aller elektrischen Verbindungen auf 150 Mikrokelvin.

Der nächste Schritt besteht darin, das zweite Kühlsystem in den Chip zu integrieren und darauf ein Coulomb-Blockade-Thermometer zu platzieren. Die Materialzusammensetzung und die Gesamtkonstruktion des Systems ermöglichten es ihnen, Temperaturen fast bis zum absoluten Nullpunkt zu erreichen.

Das metallische Coulomb-Blockade-Thermometer (CBT) ist ein zuverlässiges und genaues elektronisches Thermometer, das bis zu 10 Millikelvin und etwas darunter arbeiten kann. Normalerweise enthält es lineare Anordnungen von Al/AlOx/Al-Tunnelverbindungen mit dazwischen liegenden Kupfermetallinseln.

Diese Abbildung zeigt das Schema mit CBT, das in einer Kupferbox (gelb) eingeschlossen ist, an Ag-Epoxid-Mikrowellenfiltern (grau) befestigt und mit Ag-Epoxid auf eine Cu-Platte (orange) geklebt ist. Abbildung B ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme der CBT-Insel mit Tunnelverbindungen. Abbildung C ist nur eine vergrößerte Ansicht der Tunnelverbindung.

Insbesondere die adiabatische Entmagnetisierung sowohl der elektronischen Leitungen als auch der großen Metallinseln eines Coulomb-Blockade-Thermometers reduzierte den externen Wärmeverlust über die Leitungen und sorgte gleichzeitig für Kühlung auf dem Chip. Die Temperaturen sanken auf 2,8 ± 0,1 MilliKelvin. 

Derzeit können Physiker diese extrem niedrigen Temperaturen fast sieben Stunden lang aufrechterhalten, was ausreichend Zeit ist, um eine Vielzahl von Experimenten durchzuführen, die uns helfen werden, die physikalischen Eigenschaften nahe dem absoluten Nullpunkt besser zu verstehen.

Referenz:Zitat | doi.org/10.1063/1.5002565 | Universität Basel 

Vorteile

Chip mit CBT, vorbereitet für Experimente | Quelle:Universität Basel 

Das Erreichen solch niedriger Temperaturen in elektronischen Geräten könnte der Schlüssel zu neuartigen Quantenzuständen von Materie sein, wie z. B. helikalen Kernspinphasen, Quanten-Hall-Ferromagneten, fragilen fraktionierten Quanten-Hall-Zuständen oder vollständiger Kernspinpolarisation.

Darüber hinaus können hybride Majorana-Geräte und die Kohärenz von Halbleiter- und supraleitenden Qubits von niedrigeren Temperaturen profitieren. Wir können auch ein paralleles Netzwerk nuklearer Kühlschränke entwickeln, um die bekannte Methode der adiabatischen nuklearen Entmagnetisierung für elektronische Transportexperimente anzupassen.

Was kommt als nächstes?

Um bessere Ergebnisse zu erzielen, können wir die Mikrowellenfilterung verbessern, die durch Vibrationen verursachte Wirbelstromerwärmung aufgrund aktiver Dämpfung verringern und die Trägerstruktur der Kernstufe an der Magnetträgerbaugruppe und der Mischkammerabschirmung befestigen.

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Dies würde uns helfen, den ineffizienten Vorkühlungsprozess zu verbessern und den großen dynamischen Wärmeverlust zu verringern, wodurch die Endtemperatur nach der adiabatischen nuklearen Entmagnetisierung gesenkt würde. Das Forschungsteam behauptet, dass mit derselben Technik eine Grenze von 1 Millikelvin erreicht werden könnte.