Els físics van establir un nou rècord de baixa temperatura


Circuits ultrafreds

El criostat utilitzat pels físics de Basilea per assolir una temperatura rècord de 220 micro-Kelvin. El termòmetre especial juntament amb una barra d’escala es pot veure al centre de la imatge (rectancle daurat). Crèdit: Universitat de Basilea, Departament de Física

Quan els materials es refreden a temperatures extremadament baixes, el seu comportament sovint difereix molt del que hi ha a temperatura ambient. Un exemple conegut és la superconductivitat: per sota d’una temperatura crítica alguns metalls i altres substàncies condueixen el corrent elèctric sense cap pèrdua. A temperatures encara més baixes es poden produir efectes físics quàntics addicionals, que són rellevants per a la investigació bàsica, així com per a aplicacions en tecnologies quàntiques.

Tanmateix, assolir aquestes temperatures —menys d’una mil·lèsima part per sobre del zero absolut de 0 Kelvin, o -273,15 graus Celsius— és molt difícil. Els físics del grup de recerca del Prof. Dr. Dominik Zumbühl de la Universitat de Basilea, juntament amb col·legues del Centre d’Investigació Tècnica VTT de Finlàndia i de la Universitat de Lancaster a Anglaterra, ara han establert un nou rècord de baixa temperatura. Els seus resultats s’acaben de publicar a Recerca de revisió física.

Refrigeració amb camps magnètics

“Refrigerar un material amb molta força no és l’únic problema”, explica Christian Scheller, científic sènior del laboratori de Zumbühl. “També s’ha de mesurar de manera fiable temperatures extremadament baixes.”

En els seus experiments, els investigadors van refredar un petit circuit elèctric fet de coure en un xip de silici exposant-lo primer a un fort camp magnètic, després refredant-lo amb una nevera especial coneguda com a criostat i, finalment, baixant el camp magnètic lentament. D’aquesta manera, els girs nuclears dels àtoms de coure del xip es van alinear inicialment com petits imants i es van refredar encara més quan, al final, la baixada del camp magnètic va provocar una disminució de la seva energia magnètica.

“Fa una dècada que treballem amb aquestes tècniques, però fins ara les temperatures més baixes que es podien assolir d’aquesta manera estaven limitades per les vibracions de la nevera”, diu Omid Sharifi Sedeh, que va participar en els experiments com a Ph.D. estudiant.

Aquestes vibracions, que sorgeixen de la compressió contínua i la rarefacció de l’agent refrigerant heli en un criòstat anomenat “sec”, escalfen significativament el xip. Per evitar-ho, els investigadors van desenvolupar un nou suport de mostres que està cablejat amb tanta força que el xip es pot refredar molt. temperatures baixes malgrat les vibracions.

Termòmetre robust

Per mesurar amb precisió aquestes temperatures, Zumbühl i els seus col·laboradors van millorar un termòmetre especial que està integrat al circuit. El termòmetre està format per illes de coure que estan connectades per les anomenades unions de túnel. Els electrons es poden moure per aquestes unions amb més o menys facilitat segons la temperatura.

Els físics van trobar un mètode per fer que el termòmetre sigui més robust contra els defectes del material i, al mateix temps, més sensible a la temperatura. Això els va permetre, finalment, mesurar una temperatura de només 220 milionèsimes de grau per sobre del zero absolut (220 micro Kelvin).

En el futur, els investigadors de Basilea volen utilitzar el seu mètode per reduir la temperatura en un altre factor deu i, a la llarga, també refredar els materials semiconductors. Això obrirà el camí cap a estudis de nous efectes quàntics i aplicacions diverses, com ara l’optimització de qubits en ordinadors quàntics.


El xip més fred del món


Més informació:
Mohammad Samani et al, electrònica Microkelvin en un criòstat de tub de pols amb un termòmetre de bloqueig de Coulomb de porta, Recerca de revisió física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033225

Proporcionat per
Universitat de Basilea


Citació: Desenvolupament de circuits ultrafreds: els físics van establir un nou rècord de baixa temperatura (2022, 22 de setembre) recuperat el 23 de setembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-ultracold-circuits-physicists-low-temperature.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudi o investigació privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.