Fizičari su postavili novi niskotemperaturni rekord


Ultrahladni krugovi

Kriostat koji su koristili fizičari iz Basela za postizanje rekordne temperature od 220 mikrokelvina. Poseban termometar zajedno sa skalom može se vidjeti u središtu slike (zlatni pravokutnik). Zasluge: Sveučilište u Baselu, Odjel za fiziku

Kada se materijali ohlade na ekstremno niske temperature, njihovo se ponašanje često jako razlikuje od onog na sobnoj temperaturi. Dobro poznati primjer je supravodljivost: ispod kritične temperature neki metali i druge tvari provode električnu struju bez ikakvih gubitaka. Na još nižim temperaturama mogu se pojaviti dodatni kvantno-fizikalni učinci, koji su relevantni za temeljna istraživanja kao i za primjene u kvantnim tehnologijama.

Međutim, postići takve temperature – manje od tisućinke stupnja iznad apsolutne nule od 0 Kelvina, ili -273,15 stupnjeva Celzijusa – iznimno je teško. Fizičari u istraživačkoj skupini prof. dr. Dominika Zumbühla sa Sveučilišta u Baselu, zajedno s kolegama iz Tehničkog istraživačkog centra VTT u Finskoj i sa Sveučilišta Lancaster u Engleskoj, sada su postavili novi niskotemperaturni rekord. Njihovi rezultati upravo su objavljeni u Physical Review Research.

Hlađenje magnetskim poljima

“Jako hlađenje materijala nije jedini problem”, objašnjava Christian Scheller, viši znanstvenik u Zumbühlovom laboratoriju. “Ove također treba pouzdano izmjeriti ekstremno niske temperature.”

U svojim eksperimentima istraživači su hladili maleni električni krug napravljen od bakra na silikonskom čipu tako što su ga najprije izložili jakom magnetsko polje, zatim ga hladi posebnim hladnjakom poznatim kao kriostat i na kraju polako smanjuje magnetsko polje. Na taj su način nuklearni spinovi atoma bakra u čipu u početku bili poravnati poput malih magneta i učinkovito su se dodatno ohladili kada je, na kraju, smanjenje magnetskog polja dovelo do smanjenja njihove magnetske energije.

“Radimo s takvim tehnikama već desetljeće, ali do sada su najniže temperature koje su se mogle postići na ovaj način bile ograničene vibracijama hladnjaka”, kaže Omid Sharifi Sedeh, koji je bio uključen u eksperimente kao dr.sc. student.

Te vibracije, koje proizlaze iz kontinuirane kompresije i razrjeđivanja rashladnog sredstva helija u takozvanom “suhom” kriostatu, značajno zagrijavaju čip. Kako bi to izbjegli, istraživači su razvili novi držač uzorka koji je toliko čvrsto ožičen da se čip može ohladiti na vrlo niske temperature unatoč vibracijama.

Robusni termometar

Kako bi točno izmjerili te temperature, Zumbühl i njegovi suradnici poboljšali su poseban termometar koji je integriran u krug. Termometar se sastoji od bakrenih otoka koji su povezani tzv. tunelskim spojevima. Elektroni se mogu kretati kroz te spojeve više ili manje lako, ovisno o temperaturi.

Fizičari su pronašli metodu kako termometar učiniti otpornijim na materijalne nedostatke i, u isto vrijeme, osjetljivijim na temperaturu. To im je konačno omogućilo da izmjere temperaturu od samo 220 milijuntih dijelova stupnja iznad apsolutne nule (220 mikrokelvina).

Baselski istraživači u budućnosti žele koristiti svoju metodu za snižavanje temperature za još jedan faktor deset i, dugoročno gledano, također hlađenje poluvodičkih materijala. To će utrti put prema studijama novih kvantnih učinaka i različitih primjena, kao što je optimizacija qubita u kvantnim računalima.


Najhladniji čips na svijetu


Više informacija:
Mohammad Samani et al, Microkelvin elektronika na kriostatu s pulsnom cijevi i termometrom s Coulombovom blokadom vrata, Physical Review Research (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033225

Citat: Razvijanje ultrahladnih krugova: Fizičari su postavili novi rekord niske temperature (2022., 22. rujna) preuzeto 23. rujna 2022. s https://phys.org/news/2022-09-ultracold-circuits-physicists-low-temperature.html

Ovaj dokument podliježe autorskim pravima. Osim poštenog poslovanja u svrhu privatnog proučavanja ili istraživanja, niti jedan dio ne smije se reproducirati bez pismenog dopuštenja. Sadržaj je dat samo u informativne svrhe.