Физиците поставиха нов нискотемпературен рекорд


Ултрастудени вериги

Криостатът, използван от физиците от Базел, за да достигне рекордна температура от 220 микрокелвина. Специалният термометър заедно със скалата може да се види в центъра на изображението (златен правоъгълник). Кредит: Университет на Базел, Катедра по физика

Когато материалите се охлаждат до изключително ниски температури, тяхното поведение често се различава силно от това при стайна температура. Добре известен пример е свръхпроводимостта: под критична температура някои метали и други вещества провеждат електрически ток без никакви загуби. При още по-ниски температури могат да възникнат допълнителни квантово-физични ефекти, които са от значение както за фундаментални изследвания, така и за приложения в квантовите технологии.

Въпреки това, достигането на такива температури – по-малко от една хилядна от градуса над абсолютната нула от 0 Келвин, или -273,15 градуса по Целзий – е изключително трудно. Физиците от изследователската група на проф. д-р Доминик Зумбюл от университета в Базел, заедно с колеги от Центъра за технически изследвания на VTT във Финландия и от университета Ланкастър в Англия, поставиха нов рекорд при ниска температура. Техните резултати току-що бяха публикувани в Изследвания за физически преглед.

Охлаждане с магнитни полета

„Много силното охлаждане на материал не е единственият проблем“, обяснява Кристиан Шелер, старши учен в лабораторията на Zumbühl. „Човек също трябва да ги измери надеждно изключително ниски температури.”

В своите експерименти изследователите охладиха малка електрическа верига, изработена от мед върху силициев чип, като първо я изложиха на силно магнитно поле, след което го охлажда със специален хладилник, известен като криостат и в крайна сметка бавно намалява магнитното поле. По този начин ядрените завъртания на медните атоми в чипа първоначално бяха подравнени като малки магнити и ефективно се охладиха още повече, когато в крайна сметка намаляването на магнитното поле доведе до намаляване на тяхната магнитна енергия.

„Работим с такива техники от десетилетие, но досега най-ниските температури, които можеха да бъдат достигнати по този начин, бяха ограничени от вибрациите на хладилника“, казва Омид Шарифи Седех, който участва в експериментите като Доцент доктор. студент.

Тези вибрации, които възникват от непрекъснатото компресиране и разреждане на охлаждащия агент хелий в така наречения “сух” криостат, значително загряват чипа. За да избегнат това, изследователите разработиха нов държач за проби, който е свързан толкова здраво, че чипът може да се охлажда до много ниски температури въпреки вибрациите.

Здрав термометър

За да измерват точно тези температури, Zumbühl и неговите сътрудници подобриха специален термометър, който е интегриран във веригата. Термометърът се състои от медни острови, които са свързани чрез така наречените тунелни връзки. Електроните могат да се движат през тези кръстовища повече или по-малко лесно в зависимост от температурата.

Физиците откриха метод да направят термометъра по-здрав срещу материални дефекти и в същото време по-чувствителен към температурата. Това им позволи най-накрая да измерят температура от само 220 милионни от градуса над абсолютната нула (220 микрокелвина).

В бъдеще изследователите от Базел искат да използват своя метод за понижаване на температурата с още един коефициент десет и, в дългосрочен план, също охлаждане на полупроводникови материали. Това ще проправи пътя към изследванията на нови квантови ефекти и разнообразни приложения, като например оптимизирането на кубитите в квантовите компютри.


Най-студеният чип в света


Повече информация:
Mohammad Samani et al, Микрокелвинова електроника на криостат с импулсна тръба с термометър с блокада на Кулон, Изследвания за физически преглед (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033225

Предоставена от
Базелски университет


Цитат: Разработване на ултрастудени вериги: Физиците поставиха нов рекорд за ниска температура (2022 г., 22 септември), извлечен на 23 септември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-09-ultracold-circuits-physicists-low-temperature.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.