Учёные из старейшего в Швейцарии Базельского университета установили новый температурный рекорд по сверхсильному охлаждению вещества. Но самым ценным в разработке обещает стать возможность адаптировать применённый подход для охлаждения квантовых процессоров и даже обычных полупроводников.
Экспериментальная установка (термодатчик находится по центру рядом с линейкой). Источник изображения: University of Basel
Предложенное решение представляет собой цепь из массива медных островков на кремниевой подложке. Такая же или похожая цепь работает как термометр — измерить рекордно низкую температуру так же сложно, как и её достичь. Охлаждали образец с помощью двух технологий: с помощью магнитных полей и с использованием жидкого гелия.
Главной доработкой холодильной установки стала очень «жёсткая» фиксация образца, которая позволила избавиться от «теплового» влияния со стороны холодильной системы. В процессе работы холодильник на основе гелия создаёт вибрации, которые передаются образцу и не дают ему охлаждаться настолько, насколько он мог бы. Напомним, охладить вещество до близких к абсолютному нулю температур означает максимально замедлить колебания атомов этого вещества. Фактически в игру вступают законы квантовой механики, а квантовые состояния разрушаются при любом «чихе».
Прочно зафиксированный образец сначала накрыли сильным магнитным полем, что упорядочило спины атомов меди и дало возможность эффективно охладить материал, а затем постепенно охладили его с помощью рефрижератора растворения (фиксация образца сыграла на этом этапе). На третьем этапе магнитное поле постепенно свели на нет, что снизило магнитную энергию образца и ещё сильнее уменьшило колебания атомов меди (и ещё немного охладило образец).
Источник изображения: Physical Review Research
Комбинированное охлаждение позволило добиться нового рекордного значения минимальной температуры — 220 мкК или всего на 220 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. В будущем исследователи хотят использовать свой метод для снижения температуры ещё в десять раз и, в перспективе, адаптировать его для охлаждения полупроводниковых материалов. Это откроет путь к изучению новых квантовых эффектов и разнообразных приложений, таких как оптимизация кубитов в квантовых компьютерах. Добавим, работа опубликована в издании Physical Review Research.