VTT-onderzoekers hebben met succes een nieuwe elektronische koeltechnologie gedemonstreerd die grote sprongen kan maken in de ontwikkeling van kwantumcomputers. De huidige kwantumcomputers vereisen extreem gecompliceerde en grote koelinfrastructuur die gebaseerd is op een mengsel van isotopen van helium. De nieuwe elektronische koeltechnologie zou deze cryogene vloeistofmengsels kunnen vervangen en miniaturisatie van kwantumcomputers mogelijk maken.

Bij deze zuiver elektrische koelingsmethode, koeling en thermische isolatie werken effectief via hetzelfde punt als een knooppunt. In het experiment hingen de onderzoekers een stuk silicium aan dergelijke knooppunten en koelden het object door elektrische stroom van het ene knooppunt naar het andere door het stuk te voeren. De stroom verlaagde de thermodynamische temperatuur van het siliciumobject met maar liefst 40% ten opzichte van die van de omgeving. Dit zou kunnen leiden tot de miniaturisering van toekomstige kwantumcomputers, omdat het de vereiste koelinfrastructuur aanzienlijk kan vereenvoudigen. De ontdekking is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"We verwachten dat deze nieuw ontdekte elektronische koelmethode kan worden gebruikt in verschillende toepassingen, van de miniaturisatie van kwantumcomputers tot ultragevoelige stralingssensoren op het gebied van beveiliging, ", zegt onderzoeksprofessor Mika Prünnila van het VTT Technical Research Centre of Finland.

Nieuwe kansen voor wetenschap en bedrijfsleven

Verschillende gevoelige elektronische en optische apparaten vereisen werking bij lage temperatuur. Een actueel voorbeeld is een kwantumcomputer die is opgebouwd uit supergeleidende circuits, die koeling vereisen dichtbij het absolute nulpunt van de thermodynamische temperatuur (-273,15 graden C).

Vandaag, supergeleidende kwantumcomputers worden gekoeld door zogenaamde verdunningskoelkasten, dit zijn meertrapskoelers op basis van het verpompen van cryogene vloeistoffen. De complexiteit van deze koelkast komt voort uit het koudste stadium, waarvan de werking gebaseerd is op het verpompen van een mengsel van verschillende isotopen van helium. Hoewel moderne verdunningskoelkasten commerciële technologie zijn, ze zijn nog groot dure wetenschappelijke instrumenten. De door de VTT-onderzoekers ontwikkelde elektronische koeltechnologie zou de complexe koudste onderdelen kunnen vervangen en leiden tot een aanzienlijke vermindering van de complexiteit, kosten en grootte.

"Het aangetoonde koeleffect kan worden gebruikt om kwantumcircuits actief te koelen op een siliciumchip of in grootschalige koelkasten. Het behoeft geen betoog dat we bij Bluefors deze nieuwe elektrische koelkastontwikkeling met grote interesse volgen, " zegt David Gunnarsson, hoofd verkoop bij Bluefors Oy, het toonaangevende bedrijf van koelkastoplossingen voor kwantumsystemen en computers.

Eenvoudige oplossing voor een schijnbaar fundamenteel natuurkundig probleem

Het onderzoeksteam was op zoek naar een efficiënte en praktische methode om warmte via elektrische stroom van de ene plaats naar de andere te drijven. De meest efficiënte oplossing zou worden geboden door een solide kruising, waar de heetste elektronen over een korte potentiaalbarrière op atomaire schaal klimmen. De uitdaging bij deze benadering is dat de warmte niet alleen door de elektronen wordt gedragen, maar ook door de quanta van de atomaire roostertrillingen - zogenaamde fononen - dragen ook een aanzienlijk deel van de warmte. De fononen die tussen warm en koud reizen, egaliseren de temperatuurverschillen zeer effectief, vooral op korte afstand.

Het leek erop dat de meest efficiënte elektronische koelmethode altijd leidde tot het ergst mogelijke phonon-warmtelek, en daarbij, een nul resultaat in termen van algehele koeling. Het VTT-onderzoeksteam stelde dat er een rechttoe rechtaan oplossing voor dit schijnbaar fundamentele probleem zou kunnen bestaan:bepaalde materiële knooppunten zouden de voortplanting van de fononen kunnen blokkeren terwijl de hete elektronen er doorheen gaan.

Het team demonstreerde het effect door halfgeleider-supergeleiderovergangen te gebruiken om een ​​siliciumchip te koelen. Op deze kruispunten de verboden elektronische toestanden in de supergeleider vormen een barrière waarover de elektronen van de halfgeleider moeten klimmen om de warmte weg te drijven. Tegelijkertijd, de junctie zelf verstrooit of blokkeert de fononen zo effectief dat de elektronische stroom een ​​aanzienlijk temperatuurverschil over de junctie kan introduceren.

"We zijn van mening dat dit verkoelende effect in veel omgevingen kan worden waargenomen, bijvoorbeeld, in moleculaire verbindingen, ", zegt onderzoeker Emma Mykkänen van VTT.