Ученым удалось охладить наноэлектронный чип до рекордно низкого значения
Рекорд наименьшей температуры работы наноэлектронного чипа удалось достичь группе европейских ученых из университета г. Базель (Швейцария). Она составила всего 0,0028 К, что означает всего на 0,0028°С выше значения абсолютного нуля. По мнению физиков, это не предел, в дальнейшем планируется достичь результата в 0,001 кельвин. Такое снижение температуры стало возможным благодаря использованию технологии адиабатического ядерного размагничивания для охлаждения чипа и связующих компонентов.
Достижение температуры, близкой абсолютному нулю (составляющей -273,15°С), необходимо в наноэлектронике для реализации нестабильных квантовых состояний. Благодаря столь малым значениям температуры есть возможность увеличить стойкость квантовых фаз с особенным упорядочением ядерных спинов.
Одной из основных проблем является значительное повышение чувствительности к малейшим изменениям температур из-за сверхмалой теплопроводности. Поэтому уменьшение температуры эксплуатации наноэлектронного чипа менее десяти милликельвинов (что всего на одну тысячную градуса более абсолютного нуля) представляет собой нетривиальную задачу.
Группа ученых-физиков предложила новое решение для уменьшения температуры работы наночипов. Для этого был использован термометр, функционирующий на эффекте кулоновской блокады. Он состоит из множества металлических элементов, которые соединены между собой непроводящими частями. Если на эту систему подать напряжение, то электроны получают возможность туннелировать между металлическими частями. Поэтому измеренная проводимость является непосредственным показателем температуры. Это позволяет определять температуры, чьи значения максимально приближены к абсолютному нулю. Специалисты предложили применить соединенный с наночипом прибор, регистрирующий изменение температуры для его прямого охлаждения.
Для реализации этой задачи исследователи охлаждали металлические компоненты терморегистратора, используя технологию постепенного снижения намагничивания ядерных спинов материала. Благодаря этому удалось решить две задачи. Первая – это уменьшение вероятности обмена тепловой энергии в соединительных элементах. Вторая задача – дополнительное охлаждение самого чипа. В итоге удалось достичь вышеуказанного результата в 0,0028 К и удерживать её в течение продолжительного периода времени, до семи часов.
Чтобы описать процесс снижения температуры, исследователи создали теоретическую модель. Она позволила получить информацию о возможности достичь значения в одну тысячную часть кельвина, что поможет изучить свойства электронных систем в условиях, максимально приближенных к абсолютному нулю.
Применение технологии адиабатического размагничивания, и, тем более, адиабатического ЯР для охлаждения возможно лишь при необходимости получения предельно низких температур. Для менее сложных задач применяются жидкие газы. Так, например, в криогенной технике широкое применение получил жидкий гелий, получаемый путем переработки природного газа или редких месторождений. С его помощью можно достичь температуры порядка четырех кельвинов. В том случае, если производить откачку испаряемых паров гелия над поверхностью жидкости, можно достичь гораздо более низких температур, до 0,7 кельвина.
