世界記録更新：ナノエレクトロニックチップを2.8ミリケルビンまで冷却

バーゼル大学、磁気冷凍でナノチップを絶対零度に迫る2.8mKまで冷却

スイスのバーゼル大学の物理学者たちが、ナノエレクトロニックチップを2.8ミリケルビン（mK）まで冷却することに成功し、世界記録を樹立しました。絶対零度（0K = -273.15℃）に極限まで近づけるこの成果は、量子実験に理想的な環境を提供し、新たな物理現象の解明を可能にします。磁気冷凍技術を用いてチップと電気接続の両方を冷却し、さらなる最適化で1mK限界への到達も視野に入れています。

磁気冷凍の原理

物理学者たちはナノエレクトロニクスに磁気冷凍の原理を応用し、デバイスを絶対零度近くまで冷却しました。この技術では、外部熱流入を防ぎながら磁場を印加して系を冷却します。しかし、磁場を減衰させる前に磁化熱を取り除く必要があります。具体的には、磁気熱量効果（磁場変化により適切な材料の温度が変化する磁気熱力学的メカニズム）を利用します。外部磁場強度の低下により、磁気熱量材料の磁気ドメインが物質内に存在する熱エネルギー（光子）によって磁場から無秩序化されます。エネルギーが移動しないよう系を隔離すれば、ドメインが配向するために熱エネルギーを吸収するため温度が低下します。例えば、ニッケル合金したプラセオジムは強力な磁気熱量効果を示し、1mK到達を可能にします。

最低温度達成のプロセス

絶対零度の千分の一度に到達するため、磁気冷凍に基づく2つの冷却システムを組み合わせました。全ての電気接続の温度を150マイクロケルビン（µK）まで下げ、次に第2の冷却システムをチップに統合し、クーロンブロック熱電計（CBT）を搭載しました。システムの材料組成と全体構造により、絶対零度に極めて近い温度を達成しました。

金属製クーロンブロック熱電計（CBT）は、10mK以下で動作可能な信頼性の高い電子温度計です。通常、Al/AlOx/Alトンネル接合の線形アレイと、その間に銅の金属アイランドを配置した構造を持ちます。電子リードとCBTの大きな金属アイランドの断熱消磁により、リードを通じた外部熱漏れを減らしながらオンチップ冷凍を実現し、温度を2.8 ± 0.1 mKまで下げることに成功しました。

現在、この極低温を約7時間維持可能で、絶対零度付近の物理特性を理解するための幅広い実験に十分な時間を確保できています。

利点と応用展望

このような極低温を電子デバイスで実現することは、ヘリカル核スピン相、量子ホール強磁性体、脆弱な分数量子ホール状態、完全核スピン分極といった新しい量子物質状態の探求に鍵となります。また、ハイブリッド・マヨラナデバイスや、半導体および超伝導キュビットのコヒーレンス向上にも貢献します。核冷凍の並列ネットワークを開発し、断熱核消磁の既知の手法を電子輸送実験に適応させることも可能です。

今後の課題

更なる成果を得るには、マイクロ波フィルタリングの改善、能動減衰による渦電流加熱の低減、核ステージ支持構造の磁石支持アセンブリおよび混合チャンバーシールドへの固定などが必要です。これにより非効率な予冷プロセスの改善と大規模な動的熱漏れの減少が可能になり、断熱核消磁後の最終温度を下げられます。研究チームは、同じ技術で1mK限界に到達可能としています。

参考文献

Scitation | doi.org/10.1063/1.5002565 | バーゼル大学