世界記録:2.8ミリケルビンまで冷却されたナノエレクトロニクスチップ

• 物理学者はナノエレクトリック チップを 2.8 ミリケルビンまで冷却し、世界記録を樹立しました。 
• 彼らは磁気冷却技術を使用して、チップと電気接続の温度を下げました。 
• いくつかの最適化を行うと、同じ手法で 1 ミリケルビンの制限に達する可能性があります。 

誰もが記録を競うことが大好きで、何か特別なことを達成したときの気分に勝るものはありません。科学者でさえ記録を破ることを好むため、世界中のいくつかのチームが温度を可能な限り絶対零度に近づけるためのハイテク冷却システムの開発に取り組んでいます。

絶対零度 (0 K または -273.15°C) は、自然界の粒子の振動運動が最小となり、量子力学的ゼロ点エネルギー誘発粒子運動のみが保持される点です。これらの極度の低温は量子実験に理想的な条件を提供し、まったく新しい物理現象を研究することを可能にします。

バーゼル大学の科学者は、ナノ電子チップを 2.8 ミリケルビンまで冷却しました。この記録を達成するために、彼らは磁​​気冷却技術を使用してチップとその電気接続の温度を下げました。最も低温のナノエレクトロニクス チップを構築するために彼らが何を使用したかについて詳しく調べてみましょう。

磁気冷凍

物理学者は、デバイスを絶対零度近くまで冷却するために、ナノエレクトロニクスの磁気冷凍の原理を利用しました。この技術では、外部からの熱の流れを防ぎながら磁場を印加することでシステムを冷却します。ただし、磁場を下げる前に熱磁化を除去する必要があります。

具体的には、磁気冷却技術は磁気熱量効果、つまり、適切な材料をさまざまな磁場にさらすことによって温度変化を引き起こす磁気熱力学的メカニズムに基づいています。

このプロセスでは、外部磁場の強度が低下すると、磁気熱量材料の磁区が、材料内に存在する熱エネルギー (光子) を介して磁場から方向転換されます。エネルギーが再移動できないように材料が隔離されている場合、ドメインが配向を行うために熱エネルギーを吸収するため、温度が低下します。

たとえば、ニッケルと合金化されたプラセオジムには非常に強力な磁気熱量効果があり、物理学者は 1 ミリケルビン以内に到達することができます。

最低温度レベルの達成

絶対零度の 1,000 分の 1 に到達するために、物理学者は 2 つの冷却システムを組み合わせて使用しました。どちらも磁気冷凍に基づいています。すべての電気接続の温度を 150 マイクロケルビンまで下げました。

次のステップは、2 番目の冷却システムをチップに統合し、その上にクーロンブロッケード温度計を配置することです。材料の組成とシステム全体の構造により、絶対零度とほぼ同じ温度に到達することができました。

金属クーロンブロッケード温度計（CBT）は、10 ミリケルビンおよびそれよりわずかに低い温度まで動作可能な、信頼性が高く正確な電子温度計です。通常、間に銅金属アイランドを挟んだ Al/AlOx/Al トンネル接合の線形アレイが含まれています。

この図は、CBT が銅の箱 (黄色) に封入され、Ag エポキシのマイクロ波フィルター (灰色) に取り付けられ、Ag エポキシで Cu プレート (オレンジ) に貼り付けられた回路図を示しています。図 B は、トンネル接合を備えた CBT アイランドの電子顕微鏡写真です。図 C は、 トンネル接合部の拡大図です。

特に、クーロンブロッケード温度計の電子リード線と大きな金属アイランドの両方の断熱消磁により、オンチップ冷却を提供しながらリード線を介した外部熱漏洩が減少しました。気温は2.8 ± 0.1 ミリケルビンまで下がりました。 

今のところ、物理学者はこれらの極低温を 7 時間近く維持できます。これは、絶対零度に近い物理特性をより深く理解するのに役立つ幅広い実験を行うのに十分な時間です。

参考:引用 | doi.org/10.1063/1.5002565 | バーゼル大学

利点

CBT を備えたチップ、実験用に準備 |出典:バーゼル大学

電子デバイスでこのような低温を達成することは、らせん核スピン相、量子ホール強磁性体、壊れやすい分数量子ホール状態、または完全な核スピン偏極などの物質の新しい量子状態の鍵となる可能性があります。

さらに、ハイブリッド マヨラナ デバイスと半導体および超伝導量子ビットのコヒーレンスは、低温の恩恵を受けることができます。 また、核冷凍機の並列ネットワークを開発して、断熱核消磁のよく知られた方法論を電子輸送実験に適応させることもできます。

次は何ですか?

より良い結果を得るには、マイクロ波フィルタリングを改善し、アクティブ ダンピングによる振動誘発渦電流加熱を軽減し、核ステージの支持構造を磁石支持アセンブリと混合チャンバー シールドに固定します。

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これは、非効率的な予冷プロセスを強化するだけでなく、大規模な動的熱漏れを減らし、断熱核消磁後の最終温度を下げるのに役立ちます。研究チームは、同じ技術が 1 ミリケルビンの限界に達する可能性があると主張しています。