세계 신기록: 나노전자 칩 2.8 밀리켈빈까지 냉각 성공

모두가 기록 경신을 좋아하며, 특별한 것을 성취하는 것보다 더 좋은 기분은 없습니다. 과학자들도 기록을 깨기 좋아해, 전 세계 여러 팀이 절대 영도에 최대한 가깝게 온도를 낮추는 초고기술 냉각 시스템 개발에 힘쓰고 있습니다.

절대 영도(0K 또는 -273.15°C)는 자연의 입자가 최소 진동 운동만을 가지며, 양자역학적 영점 에너지 유도 입자 운동만 유지하는 지점입니다. 이러한 극저온은 양자 실험에 이상적인 조건을 제공하며, 완전히 새로운 물리 현상을 연구할 수 있게 합니다.

바젤 대학교 과학자들이 나노전자 칩을 2.8 밀리켈빈까지 냉각했습니다. 이를 위해 자기 냉각 기술을 사용해 칩과 전기 연결부의 온도를 낮췄습니다. 그들이 가장 차가운 나노전자 칩을 만들기 위해 무엇을 사용했는지 자세히 알아보겠습니다.

물리학자들은 나노전자공학에 자기 냉각 원리를 적용해 장치를 절대 영도에 가깝게 냉각했습니다. 이 기술에서는 외부 열 유입을 차단하면서 자기장을 가해 시스템을 냉각합니다. 그러나 자기장이 줄어들기 전에 열자화를 제거해야 합니다.

구체적으로 자기 냉각 기술은 자기열량 효과(magnetocaloric effect)에 기반합니다. 이는 적절한 물질을 변화하는 자기장에 노출시킬 때 물질의 온도 변화를 일으키는 자기열역학적 메커니즘입니다.

이 과정에서 외부 자기장 강도가 떨어지면, 물질 내부에 존재하는 열에너지(광자)에 의해 자기열량 물질의 자기 영역이 자기장에서 무질서해집니다. 물질이 고립되어 에너지가 재이동할 수 없다면, 영역이 방향을 잡기 위해 열에너지를 흡수하면서 온도가 떨어집니다.

예를 들어, 프라세오디뮴-니켈 합금은 매우 강력한 자기열량 효과를 보여 물리학자들이 1 밀리켈빈까지 도달할 수 있게 합니다.

절대 영도의 천분의 1 도까지 도달하기 위해 물리학자들은 자기 냉각 기반의 두 냉각 시스템을 조합했습니다. 모든 전기 연결부의 온도를 150 마이크로켈빈까지 낮췄습니다.

다음 단계는 두 번째 냉각 시스템을 칩에 통합하고 쿨롱 봉쇄 온도계를 장착하는 것입니다. 시스템의 재료 구성과 전체 구조 덕분에 절대 영도에 거의 근접한 온도에 도달할 수 있었습니다.

금속 쿨롱 봉쇄 온도계(CBT)는 10 밀리켈빈 이하에서도 작동 가능한 신뢰성 높고 정확한 전자 온도계입니다. 일반적으로 구리 금속 아일랜드 사이에 Al/AlOx/Al 터널 접합의 선형 배열로 구성됩니다.

이 그림은 구리 상자(노란색)에 내장된 CBT, Ag-에폭시 마이크로파 필터(회색), Ag-에폭시로 부착된 Cu 플레이트(주황색)를 보여줍니다. 그림 B는 터널 접합이 있는 CBT 아일랜드의 전자 현미경 사진입니다. 그림 C는 터널 접합의 확대 사진입니다.

특히, 쿨롹 봉쇄 온도계의 전자 리드와 큰 금속 아일랜드의 단열 탈자화를 통해 리드를 통한 외부 열 누설을 줄이면서 칩 상에서 냉각을 제공했습니다. 온도는 2.8 ± 0.1 밀리켈빈까지 떨어졌습니다.

현재 물리학자들은 이 극저온을 약 7시간 동안 유지할 수 있으며, 이는 절대 영도 근처의 물리적 특성을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 다양한 실험을 수행하기에 충분한 시간입니다.

참고: Scitation | doi.org/10.1063/1.5002565 | 바젤 대학교

실험용 CBT 장착 칩 | 출처: 바젤 대학교

전자 장치에서 이러한 극저온 달성은 나선 핵 스핀 위상, 양자 홀 강자성, 취약한 분수 양자 홀 상태, 완전한 핵 스핀 분극 같은 새로운 양자 물질 상태를 구현하는 열쇠가 될 수 있습니다.

또한 하이브리드 마요라나 소자와 반도체 및 초전도 큐비트의 결맞음도 낮은 온도에서 이점을 얻습니다. 핵 냉장고의 병렬 네트워크를 개발해 단열 핵 탈자화의 잘 알려진 방법론을 전자 수송 실험에 적용할 수도 있습니다.

더 나은 결과를 위해 마이크로파 필터링 개선, 능동 댐핑으로 인한 진동 유도 와전류 가열 감소, 핵 단계 지지 구조를 자석 지지 어셈블리 및 혼합 챔버 실드에 고정하는 등의 개선이 필요합니다.

참고 읽기: 53 큐비트 최대 양자 시뮬레이터

이는 비효율적인 예비 냉각 과정을 개선하고 큰 동적 열 누설을 줄여 단열 핵 탈자화 후 최종 온도를 낮추는 데 도움이 될 것입니다. 연구팀은 같은 기술로 1 밀리켈빈 한계까지 도달할 수 있다고 주장합니다.

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