Termómetro Miniatura Ultra-frío: Precisión de 50 mK en un Chip

Investigadores han desarrollado un termómetro superconductor miniatura que mide temperaturas por debajo de 1 kelvin (-272.15 °C o -457.87 °F), hasta 50 milikelvin (mK) y potencialmente 5 mK. Es más pequeño, rápido y conveniente que termómetros criogénicos convencionales para dispositivos a escala de chip y podría producirse en masa.

Midendo 2.5 × 1.15 milímetros, el termómetro puede incrustarse en o adherirse a otro dispositivo de microondas criogénico para medir su temperatura cuando se monta en un chip. El termómetro se usó para demostrar mediciones rápidas y precisas del calentamiento de un amplificador de microondas superconductor.

El termómetro permite a los investigadores medir la temperatura de una amplia gama de componentes en paquetes de prueba a muy poco costo y sin introducir un gran número de conexiones eléctricas adicionales. Esto tiene el potencial de beneficiar a investigadores trabajando en computación cuántica o usando sensores de baja temperatura en una amplia gama de campos.

El termómetro consiste en un resonador superconductor de niobio recubierto con dióxido de silicio. El recubrimiento interactúa con el resonador para cambiar la frecuencia a la que vibra naturalmente. Los científicos sospechan que esto se debe a átomos "tunelizando" entre dos sitios, un efecto cuántico-mecánico.

El termómetro se basa en una nueva aplicación del principio de que la frecuencia natural del resonador depende de la temperatura. El termómetro mapea cambios en frecuencia, medidos por electrónica, a una temperatura. Por contraste, los termómetros convencionales para temperaturas sub-Kelvin se basan en resistencia eléctrica. Requieren cableado rutado a electrónica a temperatura ambiente, añadiendo complejidad y potencialmente causando calentamiento e interferencia.

El nuevo termómetro mide temperatura en unos 5 milisegundos —mucho más rápido que la mayoría de termómetros resistivos convencionales en aproximadamente una décima de segundo. Los termómetros también son fáciles de fabricar en solo un paso de proceso. Pueden producirse en masa, con más de 1,200 cabiendo en una oblea de silicio de 3" (aproximadamente 75 milímetros).