Record mondial : puce nanoélectronique refroidie à 2,8 milliKelvin

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

Tout le monde aime battre des records et rien n'égale le sentiment d'accomplir quelque chose d'extraordinaire. Même les scientifiques aiment battre des records, c'est pourquoi plusieurs équipes du monde entier travaillent sur des systèmes 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 où les particules de la nature ont un mouvement vibratoire minimal, ne conservant que l'énergie de point zéro quantique. Ces températures extrêmement basses offrent des conditions idéales pour les expériences quantiques et permettent d'étudier de tous nouveaux phénomènes physiques.

Des scientifiques de l'université de Bâle ont refroidi une puce nanoélectronique 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. Examinons 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 dispositifs près 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 chaleur d'aimantation doit être éliminée avant que le champ magnétique ne soit réduit.

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

Dans ce processus, une diminution de l'intensité du champ magnétique externe permet aux domaines magnétiques du matériau magnétocalorique de se désorienter par rapport au champ magnétique via l'énergie thermique (photons) présente dans le matériau. Si le matériau est isolé de sorte qu'aucune énergie ne puisse migrer à nouveau, la température diminue car les domaines absorbent l'énergie thermique pour effectuer leur orientation.

Par exemple, un alliage de praséodyme et de nickel possède un effet magnétocalorique très puissant, permettant aux physiciens d'atteindre 1 milliKelvin.

Atteindre le niveau de température minimal

Pour atteindre le millième de degré du zéro absolu, les physiciens ont 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 second système de refroidissement dans la puce et à y placer un thermomètre à blocage de Coulomb. La composition matérielle et la construction globale du système leur ont permis d'atteindre une température presque aussi basse que le zéro absolu.

Le thermomètre à blocage de Coulomb métallique (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 eux.

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

Plus précisément, la désaimantation adiabatique des pistes électroniques et des grands îlots métalliques d'un thermomètre à blocage de Coulomb a réduit la fuite de chaleur externe via les pistes 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 une large gamme d'expériences qui nous aideront à mieux comprendre les propriétés physiques proches du zéro absolu.

Référence : Scitation | doi.org/10.1063/1.5002565 | Université de Bâle

Avantages

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

Atteindre de telles températures dans les dispositifs électroniques pourrait être la clé pour de nouveaux états quantiques de la matière comme les phases de spin nucléaire hélicoïdales, les ferroaimants quantiques de Hall, les états quantiques de Hall fractionnaires fragiles, ou la polarisation complète du spin nucléaire.

De plus, les dispositifs hybrides Majorana et la cohérence des qubits semiconducteurs 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 la désaimantation nucléaire adiabatique aux expériences de transport électronique.

Prochaines étapes

Pour obtenir de meilleurs résultats, nous pouvons améliorer le filtrage micro-ondes, réduire le chauffage par courants de Foucault induits par les vibrations grâce à un amortissement actif, fixer la structure de support de l'étage nucléaire à l'assemblage de support de l'aimant et au blindage de la chambre de mélange.

À lire : Le plus grand simulateur quantique avec 53 qubits

Cela permettrait d'améliorer le processus de pré-refroidissement inefficace ainsi que de réduire la fuite de chaleur dynamique importante, abaissant la température finale après la désaimantation nucléaire adiabatique. L'équipe de recherche affirme que la même technique pourrait atteindre la limite de 1 milliKelvin.