Минимальную температуру работы наноэлектронных устройств понизили до 2,8 милликельвина. Такой величины удалось добиться в результате охлаждения с помощью адиабатического ядерного размагничивания как самого чипа, так и соединительных элементов. В дальнейшем с помощью подобного подхода можно получить температуры и в 0,1 милликельвина, пишут ученые в статье в Applied Physics Letters.

Чтобы в наноэлектронном устройстве реализовать неустойчивые квантовые состояния, его температура должна быть близка к абсолютному нулю (это −273,15 градусов Цельсия). Именно низкая температура позволяет повысить устойчивость квантовых фаз с необычным упорядочением ядерных спинов, а также снижает вероятность декогеренции кубитов в квантовых компьютерах. Однако из-за того, что теплопроводность при таких температурах становится очень маленькой, повышается чувствительность к любым тепловым колебаниям. Поэтому снижение температуры работы наноэлектронных устройств ниже 10 милликельвинов (что всего на 0,001 градуса выше абсолютного ноля) — довольно сложная задача.

Группа физиков из Швейцарии, Германии и Финляндии под руководством Доминика Цумбюля (Dominik M. Zumbuehl) из Базельского университета предложила новый подход для понижения температуры работы наноэлектронных устройств. Для этого ученые использовали термометр, основанный на эффекте кулоновской блокады. Такой термометр состоит из массива металлических островков, соединенных между собой непроводящими участками. Если к этой системе приложить напряжение, то электроны смогут туннелировать между островками, и измеренная проводимость становится прямым показателем температуры. С помощью такого устройства можно измерять температуры, очень близкие к абсолютному нулю. Ученые предложили использовать подсоединенный к наночипу термометр непосредственно для его охлаждения.

Наноэлектронный чип, подготовленный к эксперименту при сверхнизких температурах. University of Basel

Для этого авторы исследования охлаждали металлические элементы термометра (это электрические соединения с прибором и сами металлические островки) с помощью адиабатического ядерного размагничивания, при котором температура понижается за счет постепенного размагничивании ядерных спинов материала. Это помогло, во-первых, снизить вероятность всех процессов теплообмена в соединительных элементах, а во-вторых, дополнительно охладить сам чип. В результате удалось добиться работы наноэлектронного устройства при всего 2,8 милликельвина. То есть температура, при которой работает электронный чип оказалась всего на 0,0028 градуса выше температуры абсолютного ноля. Такую низкую температуру ученые смогли удерживать до 7 часов.

Для описания процесса охлаждения ученые предложили теоретическую модель, с помощью которой удалось показать, что при определенных условиях можно добиться значения в 1 милликельвин, что позволит изучить свойства электронных систем при температурах, очень близких к абсолютному нулю.

К использованию для охлаждения адиабатического размагничивания, и, тем более адиабатического ядерного размагничивания, приходится прибегать только при необходимости совсем низких температур. Обычно же для снижения температуры используют жидкие газы, например, в криогенной технике часто используется жидкий гелий, который добывают из природного газа или редких месторождений. С помощью него можно получать температуры около 4,2 кельвина. А если откачивать пары газа над свободной поверхностью жидкости, можно довести температуру даже до значения в 0,7 кельвина.

Автор: Александр Дубов