세계 기록:2.8milliKelvin으로 냉각된 나노 전자 칩

• 물리학자들은 나노전기 칩을 2.8밀리켈빈까지 냉각하여 세계 기록을 세웠습니다. 
• 그들은 칩과 전기 연결의 온도를 낮추기 위해 자기 냉각 기술을 사용했습니다. 
• 일부 최적화를 통해 동일한 기술이 1밀리켈빈 한도에 도달할 수 있습니다. 

모두가 기록을 놓고 경쟁하는 것을 좋아하며, 특별한 것을 달성하는 느낌보다 더 좋은 것은 없습니다. 심지어 과학자들도 기록을 깨는 것을 좋아하기 때문에 전 세계 여러 팀이 절대 영도에 최대한 가까운 온도에 도달하기 위해 첨단 냉각 시스템을 연구하고 있습니다.

절대 영도(0K 또는 -273.15°C)는 자연 입자가 최소한의 진동 운동을 갖는 지점으로, 양자 역학적 영점 에너지 유도 입자 운동만 유지합니다. 이러한 극도로 낮은 온도는 양자 실험에 이상적인 조건을 제공하며 완전히 새로운 물리적 현상을 연구할 수 있게 해줍니다.

바젤 대학의 과학자들은 나노전기 칩을 2.8밀리켈빈까지 냉각시켰습니다. 이 기록을 달성하기 위해 그들은 칩과 전기 연결의 온도를 낮추기 위해 자기 냉각 기술을 사용했습니다. 가장 차가운 나노전자 칩을 만들기 위해 그들이 무엇을 사용했는지 자세히 알아봅시다.

자기냉동

물리학자들은 장치를 절대 영도에 가깝게 냉각하기 위해 나노전자공학의 자기 냉각 원리를 활용했습니다. 이 기술에서는 외부 열 흐름을 방지하면서 자기장을 적용하여 시스템을 냉각시킵니다. 그러나 자기장이 감소하기 전에 열자화가 제거되어야 합니다.

특히 자기 냉각 기술은 자기열역학적 메커니즘, 즉 적절한 재료를 다양한 자기장에 노출시켜 온도 변화를 일으키는 자기 열역학 메커니즘을 기반으로 합니다.

이 과정에서 외부 자기장 강도가 떨어지면 자기열량 재료의 자기 구역이 재료에 존재하는 열 에너지(광자)를 통해 자기장에서 방향을 잃게 됩니다. 에너지가 재이동할 수 없도록 재료가 격리된 경우, 도메인이 배향을 수행하기 위해 열 에너지를 흡수함에 따라 온도가 감소합니다.

예를 들어 니켈과 합금된 프라세오디뮴은 매우 강력한 자기열량 효과를 가지며, 이를 통해 물리학자는 1밀리켈빈 이내의 온도에 도달할 수 있습니다.

최저 온도 달성

절대 영도의 1/1000도에 도달하기 위해 물리학자는 자기 냉각을 기반으로 하는 두 가지 냉각 시스템의 조합을 사용했습니다. 그들은 모든 전기 연결 온도를 150마이크로켈빈으로 낮췄습니다.

다음 단계는 두 번째 냉각 시스템을 칩에 통합하고 그 위에 쿨롱 봉쇄 온도계를 배치하는 것입니다. 시스템의 재료 구성과 전반적인 구성으로 인해 절대 영도에 가까운 온도에 도달할 수 있었습니다.

금속 쿨롱 봉쇄 온도계(CBT)는 최저 10밀리켈빈 이하까지 작동할 수 있는 신뢰할 수 있고 정확한 전자 온도계입니다. 일반적으로 그 사이에 구리 금속 섬이 있는 Al/AlOx/Al 터널 접합의 선형 배열이 포함됩니다.

이 그림은 구리 상자(노란색)에 포함된 CBT, Ag-에폭시 마이크로파 필터(회색)에 부착, Ag-에폭시가 포함된 Cu 플레이트(주황색)에 부착된 CBT의 회로도를 보여줍니다. 그림 B는 터널 접합이 있는 CBT 섬의 전자 현미경 사진입니다. 그림 C는 터널 교차점을 확대한 것입니다.

특히, 전자 리드와 쿨롱 봉쇄 온도계의 큰 금속 섬 모두의 단열 감자소화는 리드를 통한 외부 열 누출을 줄이면서 온칩 냉동 기능을 제공합니다. 온도는 2.8 ± 0.1밀리켈빈까지 내려갔습니다. 

현재 물리학자들은 거의 7시간 동안 이러한 극저온을 유지할 수 있는데, 이는 절대 영도에 가까운 물리학적 특성을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 광범위한 실험을 수행하기에 충분한 시간입니다.

참고자료:인용문 | doi.org/10.1063/1.5002565 | 바젤 대학교 

장점

실험을 위해 준비된 CBT 칩 | 출처:바젤 대학교 

전자 장치에서 이러한 낮은 온도를 달성하는 것은 나선형 핵 스핀 위상, 양자 홀 강자성체, 깨지기 쉬운 분수 양자 홀 상태 또는 전체 핵 스핀 분극과 같은 물질의 새로운 양자 상태를 만드는 데 핵심이 될 수 있습니다.

더욱이 하이브리드 Majorana 장치와 반도체 및 초전도 큐비트의 일관성은 낮은 온도에서 이점을 얻을 수 있습니다. 또한 전자 운송 실험에 잘 알려진 단열 핵 탈자화 방법을 적용하기 위해 핵 냉장고의 병렬 네트워크를 개발할 수도 있습니다.

다음은 무엇인가요?

더 나은 결과를 얻으려면 마이크로파 필터링을 개선하고, 활성 감쇠로 인해 진동으로 인한 와전류 가열을 줄이고, 핵 스테이지의 지지 구조를 자석 지지 어셈블리 및 혼합 챔버 실드에 고정할 수 있습니다.

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이를 통해 비효율적인 사전 냉각 프로세스를 향상시킬 뿐만 아니라 대규모 동적 열 누출을 줄여 단열 핵 탈자화 후 최종 온도를 낮추는 데 도움이 됩니다. 연구팀은 동일한 기술이 1밀리켈빈 한계에 도달할 수 있다고 주장합니다.