Expertos en sensores del NIST inventan un minitermómetro superfrío

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) han inventado un termómetro superconductor en miniatura con grandes aplicaciones potenciales, como monitorear la temperatura de los chips del procesador en computadoras cuánticas basadas en superconductores, que deben permanecer fríos para funcionar correctamente.

El termómetro mide temperaturas por debajo de 1 kelvin (menos 272,15 °C/menos 457,87 °F), hasta 50 milikelvin (mK) y potencialmente 5 mK. Es más pequeño, más rápido y más conveniente que los termómetros criogénicos convencionales para dispositivos a escala de chip y podría producirse en masa.

La tecnología es un derivado de los sensores superconductores personalizados del NIST para cámaras telescópicas. Con un tamaño de solo 2,5 por 1,15 milímetros, el nuevo termómetro se puede incrustar o pegar a otro dispositivo de microondas criogénico para medir su temperatura cuando se monta en un chip. Los investigadores utilizaron el termómetro para demostrar mediciones rápidas y precisas del calentamiento de un amplificador de microondas superconductor.

“Esta fue una idea divertida que rápidamente se convirtió en algo muy útil”, dijo el líder del grupo, Joel Ullom. “El termómetro permite a los investigadores medir la temperatura de una amplia gama de componentes en sus paquetes de prueba a muy bajo costo y sin introducir una gran cantidad de conexiones eléctricas adicionales. Esto tiene el potencial de beneficiar a los investigadores que trabajan en computación cuántica o que usan sensores de baja temperatura en una amplia gama de campos”.

El termómetro consta de un resonador de niobio superconductor recubierto con dióxido de silicio. El revestimiento interactúa con el resonador para cambiar la frecuencia a la que vibra naturalmente. Los científicos sospechan que esto se debe a que los átomos se "forman un túnel" entre dos sitios, un efecto de la mecánica cuántica.

El termómetro NIST se basa en una nueva aplicación del principio de que la frecuencia natural del resonador depende de la temperatura. El termómetro asigna cambios de frecuencia a una temperatura. Por el contrario, los termómetros convencionales para temperaturas por debajo de Kelvin se basan en la resistencia eléctrica. Requieren cableado enrutado a componentes electrónicos a temperatura ambiente, lo que agrega complejidad y puede causar calentamiento e interferencia.

El termómetro NIST mide la temperatura en aproximadamente 5 milisegundos, mucho más rápido que la mayoría de los termómetros resistivos convencionales en aproximadamente una décima de segundo. Los termómetros NIST también son fáciles de fabricar en un solo paso de proceso. Se pueden producir en masa, con más de 1200 ajustes en una oblea de silicio de 3 pulgadas (aproximadamente 75 milímetros).