Récord mundial: chip nanoelectrónico enfriado a 2,8 miliKelvin

• Físicos han enfriado un chip nanoelectrónico a 2,8 miliKelvin, estableciendo un récord mundial.
• Utilizaron técnicas de enfriamiento magnético para reducir la temperatura del chip y sus conexiones eléctricas.
• Con algunas optimizaciones, la misma técnica podría alcanzar el límite de 1 miliKelvin.

A todos nos gusta competir por récords y nada es mejor que la sensación de lograr algo extraordinario. Incluso a los científicos les gusta batir récords, por eso varios equipos de todo el mundo trabajan en sistemas de enfriamiento de alta tecnología para alcanzar temperaturas lo más cercanas posible al cero absoluto.

El cero absoluto (0 K o -273,15 °C) es el punto en el que las partículas de la naturaleza tienen un movimiento vibracional mínimo, reteniendo solo el movimiento de partículas inducido por la energía de punto cero cuántico-mecánica. Estas temperaturas extremadamente bajas proporcionan condiciones ideales para experimentos cuánticos y nos permiten estudiar fenómenos físicos completamente nuevos.

Científicos de la Universidad de Basilea han enfriado un chip nanoelectrónico a 2,8 miliKelvin. Para lograr este récord utilizaron técnicas de enfriamiento magnético para reducir la temperatura del chip y sus conexiones eléctricas. Veamos en detalle qué han utilizado para construir el chip nanoelectrónico más frío.

Refrigeración magnética

Los físicos utilizaron el principio de refrigeración magnética en nanoelectrónica para enfriar dispositivos cerca del cero absoluto. En esta técnica, un sistema se enfría aplicando un campo magnético mientras se previene el flujo de calor externo. Sin embargo, la magnetización térmica debe eliminarse antes de reducir el campo magnético.

Específicamente, la tecnología de enfriamiento magnético se basa en el efecto magnetocalórico, un mecanismo magnetotermodinámico en el que un cambio de temperatura de un material apropiado es causado al exponer el material a un campo magnético variable.

En este proceso, una caída en la intensidad del campo magnético externo permite que los dominios magnéticos del material magnetocalórico se desorienten del campo magnético mediante la energía térmica (fotones) presente en el material. Si el material está aislado para que no pueda remigrar energía, la temperatura disminuye a medida que los dominios absorben la energía térmica para realizar su orientación.

Por ejemplo, una aleación de praseodimio con níquel tiene un efecto magnetocalórico muy potente, permite a los físicos alcanzar 1 miliKelvin.

Alcanzar el nivel mínimo de temperatura

Para llegar a la milésima de grado del cero absoluto, los físicos utilizaron una combinación de dos sistemas de enfriamiento, ambos basados en refrigeración magnética. Redujeron la temperatura de todas las conexiones eléctricas a 150 microKelvin.

El siguiente paso es integrar el segundo sistema de enfriamiento en el chip y colocar un termómetro de bloqueo de Coulomb en él. La composición del material y la construcción general del sistema les permitió alcanzar una temperatura casi tan baja como el cero absoluto.

El termómetro metálico de bloqueo de Coulomb (CBT) es un termómetro electrónico fiable y preciso capaz de operar hasta 10 miliKelvin y ligeramente por debajo. Generalmente contiene arrays lineales de uniones túnel Al/AlOx/Al con islas metálicas de cobre entre ellas.

Esta figura muestra el esquema con CBT encerrado en una caja de cobre (amarillo), conectado a filtros de microondas de epoxi-Ag (gris), y adherido a una placa de Cu (naranja) con epoxi-Ag. La figura B es un micrografo electrónico de la isla CBT con uniones túnel. La figura C es solo una vista ampliada de la unión túnel.

Particularmente, la desmagnetización adiabática tanto de los contactos electrónicos como de las grandes islas metálicas de un termómetro de bloqueo de Coulomb redujo la fuga de calor externa a través de los contactos mientras proporcionaba refrigeración en el chip. Las temperaturas bajaron a 2,8 ± 0,1 miliKelvin.

Por ahora, los físicos pueden mantener estas temperaturas extremadamente bajas durante casi 7 horas, tiempo suficiente para realizar una amplia gama de experimentos que nos ayudarán a comprender mejor las propiedades físicas cerca del cero absoluto.

Referencia: Scitation | doi.org/10.1063/1.5002565 | Universidad de Basilea

Ventajas

Chip con CBT, preparado para experimentos | Fuente: Universidad de Basilea

Lograr temperaturas tan bajas en dispositivos electrónicos podría ser clave para nuevos estados cuánticos de la materia como fases helicoidales de espín nuclear, ferromagnetismo cuántico de Hall, estados frágiles de Hall cuántico fraccionario, o polarización completa de espín nuclear.

Además, los dispositivos híbridos de Majorana y la coherencia de qubits semiconductores y superconductores pueden beneficiarse de temperaturas más bajas. También podemos desarrollar una red paralela de refrigeradores nucleares para adaptar la conocida metodología de Desmagnetización Nuclear Adiabática para experimentos de transporte electrónico.

¿Qué sigue?

Para obtener mejores resultados podemos mejorar el filtrado de microondas, disminuir el calentamiento por corrientes de Foucault inducidas por vibraciones debido al amortiguamiento activo, fijar la estructura de soporte de la etapa nuclear al ensamblaje de soporte del imán y al escudo de la cámara de mezcla.

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Esto nos ayudaría a mejorar el proceso de preenfriamiento ineficiente y disminuir la gran fuga de calor dinámica, reduciendo la temperatura final después de la Desmagnetización Nuclear Adiabática. El equipo de investigación afirma que la misma técnica podría alcanzar el límite de 1 miliKelvin.