Известно, что когда различные материалы охлаждаются до чрезвычайно низких температур, они обретают свойства, которые кардинально отличаются от их свойств при нормальных условиях. Самым известным примером является явление сверхпроводимости, способность проводить электрический ток без сопротивления при охлаждении ниже так называемой критической точки. При охлаждении до еще более низких температур материалы начинают демонстрировать квантовые эффекты, что широко используется сейчас при проведении фундаментальных исследований и при разработке квантовых технологий.
Однако, достижение температур ниже 1 милликельвина, одной тысячной градуса выше точки абсолютного нуля, сопряжено со многими трудностями. И недавно группа ученых из университета Базеля (University of Basel), Швейцария, Центра технических исследований VTT, Финляндия, и университета Ланкастера (Великобритания) сумела установить новый рекорд, охладив специальный чип до температуры в 220 мкК.
Этот чип представляет собой кремниевую пластину с напыленными медными элементами. Чип был заключен в сильное магнитное поле и предварительно охлажден при помощи устройства-криостата. Дальнейшее сверхглубокое охлаждение было достигнуто за счет плавного снижения силы внешнего магнитного поля. Так как направление вращения атомов меди были изначально сориентированы в определенном направлении, они превратились в крошечные магниты. Эти магниты начали терять свою магнитную энергию по мере снижения силы внешнего магнитного поля, что привело к охлаждению до еще более низкой температуры.
Отметим, что упомянутая здесь группа ученых уже достаточно давно работает в области криогенного охлаждения микрочипов. Но ранее им не доводилось достигать столь низких температур из-за колебаний, возникающих из-за постоянного сжатия и разрежения используемого хладагента, жидкого гелия. Эти колебания имеют малую частоту и амплитуду, но они, тем не менее, способны нагревать охлаждаемое устройство. В данном случае ученые использовали новый держатель, прочно связанный с независимым основанием, что позволяет игнорировать слабые колебания и охлаждать удерживаемый чип до более низких температур.
Но само достижение рекордно низкой температуры еще ничего не значит, если не имеется возможности измерения этой температуры. Для этого и был создан уникальный термометр, интегрированный в схему чипа. Этот термометр также состоит из участков медного напыления, которые разделены промежутками определенной толщины, являющимися туннельными переходами. Электроны, за счет эффекта квантового туннелирования, могут перескакивать через эти промежутки, а их количество напрямую зависит от окружающей температуры.
Эксперименты показали, что новый тип туннельного датчика температуры работает достаточно надежно даже с учетом имеющихся дефектов и обеспечивает высокую чувствительность. Это и позволило ученым измерить температуру, которая всего на 220 миллионных частей превышает точку абсолютного нуля.
В будущем ученые планируют доработать созданную ими технологию, что, по их мнению, позволит понизить температуру на целый порядок. А это, в свою очередь, откроет путь к изучению совершенно новых квантовых эффектов, которые могут быть использованы в будущем для улучшения и оптимизации работы кубитов квантовых компьютеров следующих поколений.