Récord mundial:chip nanoelectrónico enfriado a 2,8 miliKelvin

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

A todo el mundo le encanta 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 están trabajando en un sistema de refrigeración 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 vibratorio mínimo, reteniendo sólo el movimiento de las partículas inducido por energía del punto cero de la mecánica cuántica. Estas temperaturas extremadamente bajas proporcionan una condición ideal para experimentos cuánticos y nos permiten estudiar fenómenos físicos completamente nuevos.

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

Refrigeración Magnética

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

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

En este proceso, una caída en la intensidad del campo magnético externo permite que el dominio magnético del material magnetocalórico se desoriente del campo magnético a través de la energía térmica (fotones) presente en el material. Si el material está aislado para que ninguna energía pueda volver a migrar, la temperatura se reduce a medida que los dominios absorben la energía térmica para realizar su orientación.

Por ejemplo, el praseodimio aleado con níquel tiene un efecto magnetocalórico muy potente:permite a los físicos alcanzar 1 miliKelvin.

Alcanzar el nivel de temperatura mínima

Para llegar a la milésima de grado del cero absoluto, los físicos utilizaron una combinación de dos sistemas de refrigeración, 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 refrigeración en el chip y colocarle un termómetro de bloqueo de Coulomb. La composición del material y la construcción general del sistema les permitieron alcanzar temperaturas casi tan bajas como el cero absoluto.

El termómetro de bloqueo de Coulomb (CBT) metálico es un termómetro electrónico confiable y preciso capaz de operar hasta 10 miliKelvin y ligeramente menos. Por lo general, contiene conjuntos lineales de uniones de túneles de Al/AlOx/Al con islas metálicas de cobre en el medio.

Esta figura muestra el esquema con CBT encerrada en una caja de cobre (amarilla), unida a filtros de microondas de Ag-epoxi (gris) y pegada a una placa de Cu (naranja) con Ag-epoxi. La Figura B es una micrografía electrónica de la isla CBT con uniones de túnel. La figura C es solo una vista ampliada del cruce del túnel.

En particular, la desmagnetización adiabática tanto de los cables electrónicos como de las grandes islas metálicas de un termómetro de bloqueo de Coulomb redujo la fuga de calor externa a través de los cables y, al mismo tiempo, proporcionó 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 cercanas al cero absoluto.

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

Ventajas

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

Lograr temperaturas tan bajas en dispositivos electrónicos podría ser clave para nuevos estados cuánticos de materias como las fases de espín nuclear helicoidal, los ferroimanes cuánticos de Hall, los frágiles estados de Hall cuánticos fraccionados o la polarización total del espín nuclear.

Además, los dispositivos híbridos de Majorana y la coherencia de los 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 parásitas inducida por vibración debido a la amortiguación activa, fijar la estructura de soporte de la etapa nuclear al conjunto de soporte magnético y al escudo de la cámara de mezcla.

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Esto nos ayudaría a mejorar el ineficiente proceso de preenfriamiento, así como a 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.