Создан термометр для сверхнизких температур

Ученые создали электронный микрочип, функционирующий при рекордно низких температурах. Это устройство, представляющее собой термометр на принципе кулоновской блокады, способно работать при температуре ниже 3 милликельвин. Статья с описанием результата опубликована в журнале Applied Physics Letters.

Создать электронные устройства, которые могут работать при температурах ниже 10 милликельвин, — трудная задача, так как теплопроводность становится очень низкой, что делает все устройство чрезвычайно уязвимым к утечкам энергии. Термометр на эффекте кулоновской блокады состоит из массива металлических островков, соединенных между собой изолятором. Если приложить к нему напряжение, то электроны начнут туннелировать между островками, причем темп этого процесса зависит от температуры. Таким образом, измеряя проводимость системы, можно вычислить температуру.

В новой совместной работе сотрудников Базельского университета с учеными из Германии и Финляндии рассказывается о применении принципа охлаждения под названием адиабатическое размагничивание для электронных устройств. Этот процесс связан с изменением энтропии при намагничивании тел. Сперва тело находится в контакте с охлаждающим агентом (например, парами гелия при низком давлении). После включения магнитного поля оно нагревается, но теплота отводится газом. После достижения теплового равновесия магнитное поле отключают, что приводит к резкому падению температуры образца.

В данной работе адиабатическое размагничивание применялось как для электрических проводов, так и для самих металлических островков термометра. «Комбинация систем охлаждения позволила понизить температуру до 3 милликельвинов, — говорит ведущий автор работы Доминик Цумбюл. — Мы так же оптимистично настроены на достижение температур ниже 1 милликельвина этим же методом». Физикам удалось поддерживать такую низкую температуру на протяжении семи часов. Этого должно хватить для изучения необычных квантовых явлений, таких как фазы со спиральным ядерным спином, полная поляризация ядерного спина, ферромагнетики с квантовым эффектом Холла и другие.