Record du monde :puce nanoélectronique refroidie à 2,8 milliKelvin

• Des physiciens ont refroidi une puce nanoélectrique à 2,8 milliKelvin, établissant ainsi un record mondial. 
• Ils ont utilisé des techniques de refroidissement magnétique pour réduire la température des puces et des connexions électriques. 
• Avec quelques optimisations, la même technique pourrait atteindre la limite de 1 milliKelvin. 

Tout le monde aime concourir pour des records et rien de mieux que le sentiment de réaliser quelque chose d'extraordinaire. Même les scientifiques aiment battre des records, c'est pourquoi plusieurs équipes du monde entier travaillent sur un système de refroidissement de haute technologie pour atteindre des températures aussi proches que possible du zéro absolu.

Le zéro absolu (0 K ou -273,15 °C) est le point auquel les particules de la nature ont un mouvement vibratoire minimal, ne conservant que le mouvement des particules induit par l'énergie du point zéro de la mécanique quantique. Ces températures extrêmement basses offrent des conditions idéales pour les expériences quantiques et nous permettent d'étudier un tout nouveau phénomène physique.

Des scientifiques de l'Université de Bâle ont refroidi une puce nanoélectrique à 2,8 milliKelvin. Pour atteindre ce record, ils ont utilisé des techniques de refroidissement magnétique pour réduire la température de la puce et de ses connexions électriques. Découvrons en détail ce qu'ils ont utilisé pour construire la puce nanoélectronique la plus froide.

Réfrigération Magnétique

Les physiciens ont utilisé le principe de la réfrigération magnétique en nanoélectronique afin de refroidir les appareils proches du zéro absolu. Dans cette technique, un système est refroidi en appliquant un champ magnétique tout en empêchant le flux de chaleur externe. Cependant, la magnétisation thermique doit être éliminée avant que le champ magnétique ne diminue.

Plus précisément, la technologie de refroidissement magnétique est basée sur l'effet magnétocalorique, un mécanisme magnéto-thermodynamique dans lequel un changement de température d'un matériau approprié est provoqué en exposant le matériau à un champ magnétique variable.

Dans ce processus, une baisse de l’intensité du champ magnétique externe permet au domaine magnétique du matériau magnétocalorique d’être désorienté du champ magnétique via l’énergie thermique (photons) présente dans le matériau. Si le matériau est isolé de manière à ce qu'aucune énergie ne puisse réémigrer, la température diminue à mesure que les domaines absorbent l'énergie thermique afin d'effectuer leur orientation.

Par exemple, le praséodyme allié au nickel a un effet magnétocalorique très puissant :il permet aux physiciens d'atteindre 1 milliKelvin près.

Atteindre le niveau de température minimum

Pour atteindre le millième de degré du zéro absolu, le physicien a utilisé une combinaison de deux systèmes de refroidissement, tous deux basés sur la réfrigération magnétique. Ils ont réduit la température de toutes les connexions électriques à 150 microKelvin.

L'étape suivante consiste à intégrer le deuxième système de refroidissement dans la puce et à y placer un thermomètre à blocus de Coulomb. La composition des matériaux et la construction globale du système leur ont permis d'atteindre une température presque aussi basse que le zéro absolu.

Le thermomètre à blocus métallique de Coulomb (CBT) est un thermomètre électronique fiable et précis capable de fonctionner jusqu'à 10 milliKelvin et légèrement en dessous. Il contient généralement des réseaux linéaires de jonctions tunnel Al/AlOx/Al avec des îlots métalliques en cuivre entre les deux.

Cette figure montre le schéma avec CBT enfermé dans une boîte en cuivre (jaune), attaché à des filtres micro-ondes Ag-époxy (gris) et collé sur une plaque de Cu (orange) avec Ag-époxy. La figure B est une micrographie électronique de l’îlot CBT avec des jonctions tunnel. La figure C n'est qu'une vue agrandie de la jonction du tunnel.

En particulier, la démagnétisation adiabatique des fils électroniques et des grands îlots métalliques d'un thermomètre à blocage coulombien a réduit la fuite de chaleur externe via les fils tout en fournissant une réfrigération sur puce. Les températures sont descendues à 2,8 ± 0,1 milliKelvin. 

Pour l'instant, les physiciens peuvent maintenir ces températures extrêmement basses pendant près de 7 heures, ce qui est suffisant pour réaliser un large éventail d'expériences qui nous aideront à mieux comprendre les propriétés physiques proches du zéro absolu.

Référence :Scitation | est ce que je.org/10.1063/1.5002565 | Université de Bâle 

Avantages

Puce avec CBT, préparée pour les expériences | Source :Université de Bâle 

Atteindre des températures aussi basses dans les appareils électroniques pourrait être la clé de nouveaux états quantiques de la matière tels que les phases de spin nucléaire hélicoïdal, les ferromagnétiques Hall quantiques, les états Hall quantiques fractionnaires fragiles ou la polarisation de spin nucléaire complète.

De plus, les dispositifs hybrides Majorana et la cohérence des qubits semi-conducteurs et supraconducteurs peuvent bénéficier de températures plus basses. Nous pouvons également développer un réseau parallèle de réfrigérateurs nucléaires pour adapter la méthodologie bien connue de démagnétisation nucléaire adiabatique aux expériences de transport électronique.

Quelle est la prochaine étape ?

Pour obtenir de meilleurs résultats, nous pouvons améliorer le filtrage des micro-ondes, diminuer l'échauffement par courants de Foucault induit par les vibrations dû à l'amortissement actif, fixer la structure de support de l'étage nucléaire à l'ensemble de support magnétique et au bouclier de la chambre de mélange.

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Cela nous aiderait à améliorer le processus de pré-refroidissement inefficace ainsi qu'à réduire l'importante fuite de chaleur dynamique, réduisant ainsi la température finale après la démagnétisation nucléaire adiabatique. L'équipe de recherche affirme que la même technique pourrait atteindre la limite de 1 milliKelvin.