Recorde Mundial:Chip Nanoeletrônico Resfriado a 2,8 miliKelvin

• Físicos resfriaram um chip nanoelétrico para 2,8 miliKelvin, estabelecendo um recorde mundial. 
• Eles usaram técnicas de resfriamento magnético para reduzir a temperatura do chip e das conexões elétricas. 
• Com algumas otimizações, a mesma técnica pode atingir o limite de 1 miliKelvin. 

Todo mundo adora competir por recordes e nada melhor do que a sensação de conseguir algo extraordinário. Até os cientistas gostam de quebrar recordes, por isso diversas equipes de todo o mundo estão trabalhando em um sistema de refrigeração de alta tecnologia para atingir temperaturas o mais próximas possível do zero absoluto.

O zero absoluto (0 K ou -273,15°C) é o ponto em que as partículas da natureza têm movimento vibracional mínimo, retendo apenas o movimento das partículas induzido pela energia do ponto zero da mecânica quântica. Essas temperaturas extremamente baixas fornecem uma condição ideal para experimentos quânticos e nos permitem estudar fenômenos físicos totalmente novos.

Cientistas da Universidade de Basileia resfriaram um chip nanoelétrico para 2,8 miliKelvin. Para alcançar esse recorde eles usaram técnicas de resfriamento magnético para reduzir a temperatura do chip e de suas conexões elétricas. Vamos descobrir em detalhes o que eles usaram para construir o chip nanoeletrônico mais frio.

Refrigeração Magnética

Os físicos utilizaram o princípio da refrigeração magnética na nanoeletrônica para resfriar dispositivos próximos do zero absoluto. Nesta técnica, um sistema é resfriado aplicando um campo magnético enquanto evita o fluxo de calor externo. No entanto, a magnetização térmica deve ser eliminada antes que o campo magnético diminua.

Especificamente, a tecnologia de resfriamento magnético é baseada no efeito magnetocalórico – um mecanismo magneto termodinâmico no qual uma mudança de temperatura de um material apropriado é causada pela exposição do material a campos magnéticos variados.

Neste processo, uma queda na intensidade do campo magnético externo permite que o domínio magnético do material magnetocalórico fique desorientado do campo magnético através da energia térmica (fótons) presente no material. Se o material for isolado de modo que nenhuma energia possa remigrar, a temperatura diminui à medida que os domínios absorvem a energia térmica para realizar sua orientação.

Por exemplo, o praseodímio ligado ao níquel tem um efeito magnetocalórico muito poderoso - permite aos físicos atingir 1 miliKelvin.

Atingindo o nível mínimo de temperatura

Para chegar ao milésimo de grau do zero absoluto, o físico usou uma combinação de dois sistemas de refrigeração, ambos baseados em refrigeração magnética. Eles reduziram a temperatura de todas as conexões elétricas para 150 microKelvin.

A próxima etapa é integrar o segundo sistema de resfriamento ao chip e colocar nele um termômetro de bloqueio de Coulomb. A composição do material e a construção geral do sistema permitiram que atingissem temperaturas quase tão baixas quanto o zero absoluto.

O termômetro de bloqueio de Coulomb metálico (CBT) é um termômetro eletrônico confiável e preciso, capaz de operar até 10 miliKelvin e um pouco abaixo. Geralmente contém matrizes lineares de junções de túnel de Al/AlOx/Al com ilhas metálicas de cobre no meio.



Esta figura mostra o esquema com CBT encerrado em uma caixa de cobre (amarela), preso a filtros de micro-ondas Ag-epóxi (cinza) e colado em uma placa de Cu (laranja) com Ag-epóxi. A Figura B é uma micrografia eletrônica da ilha CBT com junções de túnel. A Figura C é apenas uma visão ampliada da junção do túnel.

Particularmente, a desmagnetização adiabática dos condutores eletrônicos e das grandes ilhas metálicas de um termômetro de bloqueio de Coulomb reduziu o vazamento de calor externo através dos condutores, ao mesmo tempo em que fornecia refrigeração no chip. As temperaturas caíram para 2,8 ± 0,1 miliKelvin. 

Por enquanto, os físicos podem manter essas temperaturas extremamente baixas por quase 7 horas, tempo suficiente para realizar uma ampla gama de experimentos que nos ajudarão a compreender melhor as propriedades físicas próximas do zero absoluto.

Referência:Citação | doi.org/10.1063/1.5002565 | Universidade de Basileia 

Vantagens

Chip com CBT, preparado para experimentos | Fonte:Universidade de Basileia 

Alcançar temperaturas tão baixas em dispositivos eletrônicos pode ser a chave para novos estados quânticos de questões como fases de spin nuclear helicoidal, ferromagnetos Hall quânticos, estados Hall quânticos fracionários frágeis ou polarização de spin nuclear total.

Além disso, os dispositivos híbridos de Majorana e a coerência de qubits semicondutores e supercondutores podem se beneficiar de temperaturas mais baixas. Também podemos desenvolver uma rede paralela de refrigeradores nucleares para adaptar a metodologia bem conhecida de desmagnetização nuclear adiabática para experimentos de transporte eletrônico.

O que vem a seguir?

Para obter melhores resultados, podemos melhorar a filtragem de microondas, diminuir o aquecimento por correntes parasitas induzidas por vibração devido ao amortecimento ativo, fixar a estrutura de suporte do estágio nuclear ao conjunto de suporte magnético e à blindagem da câmara de mistura.

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Isso nos ajudaria a melhorar o processo de pré-resfriamento ineficiente, bem como diminuir o grande vazamento de calor dinâmico, reduzindo a temperatura final após a desmagnetização nuclear adiabática. A equipe de pesquisa afirma que a mesma técnica pode atingir o limite de 1 miliKelvin.