Natuurkundigen van de Universiteit van Basel zijn erin geslaagd een nano-elektronische chip af te koelen tot een temperatuur lager dan 3 millikelvin. De wetenschappers van het departement Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute vestigden dit record in samenwerking met collega's uit Duitsland en Finland. Ze gebruikten magnetische koeling om zowel de elektrische verbindingen als de chip zelf te koelen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

Zelfs wetenschappers strijden graag om records, daarom gebruiken tal van werkgroepen wereldwijd hightech koelkasten om temperaturen zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt te bereiken. Het absolute nulpunt is 0 kelvin of -273,15 °C. Natuurkundigen proberen hun apparatuur zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt te koelen, omdat deze extreem lage temperaturen de ideale omstandigheden bieden voor kwantumexperimenten en het mogelijk maken om geheel nieuwe natuurkundige fenomenen te onderzoeken.

Koelen door een magnetisch veld uit te schakelen

De groep onder leiding van de Bazelse natuurkundige professor Dominik Zumbühl had eerder voorgesteld om het principe van magnetische koeling in nano-elektronica te gebruiken om nano-elektronische apparaten af ​​te koelen tot ongekende temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Magnetische koeling is gebaseerd op het feit dat een systeem kan afkoelen wanneer een aangelegd magnetisch veld wordt afgebouwd terwijl elke externe warmtestroom wordt vermeden. Alvorens af te dalen, de magnetisatiewarmte moet met een andere methode worden verwijderd om een ​​efficiënte magnetische koeling te verkrijgen.

Een geslaagde combinatie

Zo slaagde het team van Zumbühl erin om een ​​nano-elektronische chip af te koelen tot een temperatuur onder 2,8 millikelvin, daarmee een nieuw record bij lage temperaturen bereiken. Dr. Mario Palma, hoofdauteur van de studie, en zijn collega Christian Scheller hebben met succes een combinatie van twee koelsystemen gebruikt, die beide waren gebaseerd op magnetische koeling. Ze koelden alle elektrische verbindingen van de chip tot temperaturen van 150 microkelvin - een temperatuur die minder dan een duizendste van een graad verwijderd is van het absolute nulpunt.

Vervolgens integreerden ze een tweede koelsysteem rechtstreeks in de chip zelf, en plaatste er ook een Coulomb-blokkadethermometer op. De constructie en de materiaalsamenstelling stelden hen in staat deze thermometer magnetisch af te koelen tot een temperatuur die bijna zo laag was als het absolute nulpunt.

"De combinatie van koelsystemen stelde ons in staat onze chip af te koelen tot onder de 3 millikelvin, en we zijn optimistisch dat we dezelfde methode kunnen gebruiken om de magische limiet van 1 millikelvin te bereiken, ", zegt Zumbühl. Het is ook opmerkelijk dat de wetenschappers in staat zijn om deze extreem lage temperaturen zeven uur lang vast te houden. Dit biedt voldoende tijd om verschillende experimenten uit te voeren die zullen helpen om de eigenschappen van de natuurkunde dichtbij het absolute nulpunt te begrijpen.