Especialistas em sensores do NIST inventam minitermômetro superfrio

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) inventaram um termômetro supercondutor em miniatura com grandes aplicações potenciais, como monitorar a temperatura de chips de processadores em computadores quânticos baseados em supercondutores, que devem permanecer frios para funcionar corretamente.

O termômetro mede temperaturas abaixo de 1 kelvin (menos 272,15°C/menos 457,87°F), até 50 milikelvin (mK) e potencialmente 5 mK. É menor, mais rápido e mais conveniente do que os termômetros criogênicos convencionais para dispositivos em escala de chip e pode ser produzido em massa.

A tecnologia é um spin-off dos sensores supercondutores personalizados do NIST para câmeras de telescópio. Com apenas 2,5 por 1,15 milímetros de tamanho, o novo termômetro pode ser embutido ou preso a outro dispositivo de micro-ondas criogênico para medir sua temperatura quando montado em um chip. Os pesquisadores usaram o termômetro para demonstrar medições rápidas e precisas do aquecimento de um amplificador de micro-ondas supercondutor.

“Esta foi uma ideia divertida que rapidamente se transformou em algo muito útil”, disse o líder do grupo Joel Ullom. “O termômetro permite que os pesquisadores meçam a temperatura de uma ampla gama de componentes em seus pacotes de teste a um custo muito baixo e sem a introdução de um grande número de conexões elétricas adicionais. Isso tem o potencial de beneficiar pesquisadores que trabalham em computação quântica ou usam sensores de baixa temperatura em uma ampla gama de campos”.

O termômetro consiste em um ressonador de nióbio supercondutor revestido com dióxido de silício. O revestimento interage com o ressonador para mudar a frequência na qual ele vibra naturalmente. Os cientistas suspeitam que isso se deva ao “túnel” de átomos entre dois locais, um efeito da mecânica quântica.

O termômetro NIST é baseado em uma nova aplicação do princípio de que a frequência natural do ressonador depende da temperatura. O termômetro mapeia as mudanças de frequência para uma temperatura. Por outro lado, os termômetros convencionais para temperaturas abaixo de Kelvin são baseados na resistência elétrica. Eles exigem fiação direcionada para eletrônicos à temperatura ambiente, adicionando complexidade e potencialmente causando aquecimento e interferência.

O termômetro NIST mede a temperatura em cerca de 5 milissegundos, muito mais rápido do que a maioria dos termômetros resistivos convencionais em cerca de um décimo de segundo. Os termômetros NIST também são fáceis de fabricar em apenas uma única etapa do processo. Eles podem ser produzidos em massa, com mais de 1200 encaixes em uma pastilha de silício de 3 polegadas (aproximadamente 75 milímetros).