Thermomètre miniature ultra-froid : précision 50 mK sur puce

Des chercheurs ont développé un thermomètre supraconducteur miniature qui mesure des températures inférieures à 1 kelvin (-272,15 °C ou -457,87 °F), jusqu'à 50 millikelvin (mK) et potentiellement 5 mK. Il est plus petit, plus rapide et plus pratique que les thermomètres cryogéniques conventionnels pour les dispositifs à l'échelle de la puce et pourrait être produit en série.

Mesurant 2,5 × 1,15 millimètres, le thermomètre peut être intégré ou collé à un autre dispositif micro-ondes cryogénique pour mesurer sa température lorsqu'il est monté sur une puce. Le thermomètre a été utilisé pour démontrer des mesures rapides et précises du chauffage d'un amplificateur micro-ondes supraconducteur.

Le thermomètre permet aux chercheurs de mesurer la température d'une large gamme de composants dans des boîtiers de test à très faible coût et sans introduire un grand nombre de connexions électriques supplémentaires. Cela a le potentiel de bénéficier aux chercheurs travaillant dans l'informatique quantique ou utilisant des capteurs à basse température dans une large gamme de domaines.

Le thermomètre consiste en un résonateur supraconducteur en niobium revêtu de dioxyde de silicium. Le revêtement interagit avec le résonateur pour décaler la fréquence à laquelle il vibre naturellement. Les scientifiques soupçonnent que cela est dû aux atomes « tunnelant » entre deux sites, un effet quantique-mécanique.

Le thermomètre est basé sur une nouvelle application du principe selon lequel la fréquence naturelle du résonateur dépend de la température. Le thermomètre mappe les changements de fréquence, mesurés par l'électronique, vers une température. En revanche, les thermomètres conventionnels pour les températures sous-Kelvin sont basés sur la résistance électrique. Ils nécessitent un câblage routé vers l'électronique à température ambiante, ajoutant de la complexité et potentiellement causant du chauffage et des interférences.

Le nouveau thermomètre mesure la température en environ 5 millisecondes — bien plus rapide que la plupart des thermomètres résistifs conventionnels à environ un dixième de seconde. Les thermomètres sont également faciles à fabriquer en une seule étape de processus. Ils peuvent être produits en série, avec plus de 1 200 tenant sur une tranche de silicium de 3 pouces (environ 75 millimètres).