Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een miniatuurthermometer uitgevonden met grote potentiële toepassingen zoals het bewaken van de temperatuur van processorchips in op supergeleiders gebaseerde kwantumcomputers, die koud moet blijven om goed te kunnen werken.

De supergeleidende thermometer van NIST meet temperaturen onder 1 Kelvin (min 272,15 °C of min 457,87 °F), tot 50 milliKelvin (mK) en mogelijk 5 mK. Het is kleiner, sneller en handiger dan conventionele cryogene thermometers voor apparaten op chipschaal en kunnen in massa worden geproduceerd. NIST-onderzoekers beschrijven het ontwerp en de werking in een nieuw tijdschriftartikel.

Slechts 2,5 bij 1,15 millimeter groot, de nieuwe thermometer kan worden ingebed in of geplakt op een ander cryogeen microgolfapparaat om de temperatuur te meten wanneer deze op een chip is gemonteerd. De onderzoekers gebruikten de thermometer om snelle, nauwkeurige metingen van de verwarming van een supergeleidende microgolfversterker.

De technologie is een spin-off van NIST's op maat gemaakte supergeleidende sensoren voor telescoopcamera's, specifiek microgolfdetectoren geleverd voor de BLAST-ballon.

"Dit was een leuk idee dat al snel uitgroeide tot iets heel nuttigs, " Groepsleider Joel Ullom zei. "Met de thermometer kunnen onderzoekers de temperatuur meten van een breed scala aan componenten in hun testpakketten tegen zeer lage kosten en zonder een groot aantal extra elektrische verbindingen te introduceren. Dit kan in het voordeel zijn van onderzoekers die werken in kwantumcomputing of het gebruik van lage-temperatuursensoren in een breed scala van gebieden."

De thermometer bestaat uit een supergeleidende niobium-resonator bedekt met siliciumdioxide. De coating werkt samen met de resonator om de frequentie te verschuiven waarop deze van nature trilt. Wetenschappers vermoeden dat dit te wijten is aan het "tunnelen" van atomen tussen twee locaties, een kwantummechanisch effect.

De NIST-thermometer is gebaseerd op een nieuwe toepassing van het principe dat de eigenfrequentie van de resonator afhangt van de temperatuur. De thermometer brengt veranderingen in frequentie in kaart, zoals gemeten door elektronica, tot een temperatuur. Daarentegen, conventionele thermometers voor temperaturen onder Kelvin zijn gebaseerd op elektrische weerstand. Ze vereisen bedrading naar elektronica op kamertemperatuur, complexiteit toevoegen en mogelijk verhitting en interferentie veroorzaken.

De NIST-thermometer meet de temperatuur in ongeveer 5 milliseconden (duizendsten van een seconde), veel sneller dan de meeste conventionele resistieve thermometers op ongeveer een tiende van een seconde. De NIST-thermometers zijn ook eenvoudig te fabriceren in slechts een enkele processtap. Ze kunnen in massa worden geproduceerd, met meer dan 1, 200 passen op een 3-inch (ongeveer 75 millimeter) siliciumwafel.