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超低温ミニチュア温度計:チップ上で50mK精度を実現

研究者たちは、1ケルビン(-272.15℃または-457.87°F)以下、50ミリケルビン(mK)まで、潜在的には5mKまで測定できる微小超伝導温度計を開発しました。チップスケールデバイス向けに、従来の極低温温度計よりも小型、高速、便利で、大量生産可能です。

サイズは2.5×1.15ミリメートルで、チップ上に実装して別の極低温マイクロ波デバイスに埋め込みまたは貼り付け、その温度を測定できます。この温度計は、超伝導マイクロ波増幅器の加熱を高速・高精度で測定する実証に使用されました。

この温度計により、研究者たちはテストパッケージ内の幅広いコンポーネントの温度を、非常に低コストで、多数の追加電気接続を導入せずに測定できます。これは量子コンピューティングに取り組む研究者や、幅広い分野で低温センサーを使用する研究者たちに恩恵をもたらす可能性があります。

温度計は、二酸化シリコンでコーティングされた超伝導ニオブ共振器で構成されます。コーティングは共振器と相互作用し、その自然振動周波数をシフトさせます。科学者たちはこれは原子が2つのサイト間を「トンネリング」する量子力学的効果によると推測しています。

温度計は、共振器の自然周波数が温度に依存するという原理の新しい応用に基づいています。電子回路で測定される周波数変化を温度にマッピングします。対照的に、サブケルビン温度用の従来温度計は電気抵抗に基づきます。それらは室温エレクトロニクスへ配線を引き回す必要があり、複雑さを増し、発熱と干渉を引き起こす可能性があります。

新温度計は約5ミリ秒で温度を測定します。これは約0.1秒かかるほとんどの従来抵抗温度計よりはるかに高速です。温度計は単一プロセスステップで容易に製造でき、大量生産可能です。3インチ(約75ミリメートル)シリコンウェーハに1,200個以上収まります。

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