Ultrakalter Rekord: Physikern ist es erstmals gelungen, einen nanoelektronischen Chip auf weniger als drei Millikelvin abzukühlen – und damit bis nahe am absoluten Nullpunkt. Ihre ultrakalte Elektronik ist damit gut achtfach kälter als alle bisherigen Versuche. Möglich wurde dieser Rekord durch die geschickte Kombination zweier magnetischer Kühlsysteme. Spannend ist dies deshalb, weil in dieser extremen Kälte exotische Quantenzustände auftreten, die sich für neue Elektronik aber auch Experimente nutzen lassen.
Weltweit arbeiten Forscher daran, Atome oder andere Materie so weit wie möglich herunterzukühlen. Denn im Bereich nahe dem absoluten Nullpunkt treten ganz neue physikalische Phänomene auf. So werden Atomwolken beispielsweise zu einem Bose-Einstein-Kondensat und reagieren wie ein einziges Riesenatom. Gleichzeitig kann man durch die Kälte Teilchen so weit ruhigstellen dass sich ihr Verhalten besser beobachten lässt oder Quantenzustände stabil bleiben.
Neuer Kälterekord
Während solche Experimente im Ultrakalten bei Atomen schon länger Routine sind, ist das Abkühlen elektronischer Bauteile bis nahe dem absoluten Nullpunkt deutlich schwieriger. Tiefer als auf rund 24 Millikelvin – 24 Tausendstel Grad – ist man bisher nicht gekommen. Jetzt jedoch haben Dominik Zumbühl von der Universität Basel und sein Team diese Grenze unterboten – und das gleich um das mehr als Achtfache.
In ihrem Experiment gelang es den Forschern, einen nanoelektronischen Chip auf unter 2,8 Millikelvin abzukühlen – das ist ein neuer Kälterekord. Zudem hielten sie das Bauteil über einen Zeitraum von sieben Stunden in dieser extrem tiefen Temperatur. Das sei länger als bei den meisten früheren Ansätzen, wie die Wissenschaftler erklären.
Doppelte Magnetkühlung
Der frostige Rekord gelang durch die Methode der sogenannten adiabatischen Entmagnetisierung. Diese nutzt aus, dass sich Atome und Elektronen in einem Magnetfeld ausrichten und dabei Energie in Form von Wärme abgeben. Wenn man nun diese Wärme entzieht und dann das Magnetfeld wieder abschaltet, verliert das System weitere Wärme.
Zumbühl und sein Team haben nun zwei solcher Magnetkühlungen miteinander kombiniert. Das erste Kühlsystem setzt an den elektrischen Leitungen des Chips an und kühlt sie bis auf 150 Mikrokelvin herunter. „Jede Leitung wird dabei von seinem eigenen Kühlschrank in Form einer großen Kupferplatte gekühlt“, erklären die Forscher.
Das zweite Kühlsystem sitzt direkt auf dem Chip und besteht aus einem ursprünglich als Thermometer entwickelten Bauteil aus Kupfer mit Aluminium-Aluminiumoxid-Tunneln. Wie die Forscher feststellten, kann dieses Coulomb-Blockade-Thermometer (CBT) jedoch auch als Kühlsystem wirken, wenn man es einer Magnetkühlung aussetzt.
Selbst ein Millikelvin sind möglich
Durch den Einsatz beider Kühlsysteme an einem Nano-Chip konnte die Forscher das Bauteil sowohl von außen über seine Leitungen als auch direkt auf dem Chip selbst abkühlen. Als Resultat sank die Temperatur des nanoelektronischen Chips auf 2,8 Millikelvin – das ist 8,6-fach weniger als der bisherigen Rekordwert für solche Bauteile.
„Wir können durch diese Kombination der Kühlsysteme unseren Chip auf unter drei Millikelvin kühlen und sind optimistisch, damit auch die magische Grenze von einem Millikelvin zu erreichen“, sagt Zumbühl. (Applied Physics Letters, 2017; doi: 10.1063/1.5002565)
(Universität Basel, 21.12.2017 – NPO)
