Wanneer materialen worden afgekoeld tot extreem lage temperaturen, wijkt hun gedrag vaak sterk af van dat bij kamertemperatuur. Een bekend voorbeeld is supergeleiding:onder een kritische temperatuur geleiden sommige metalen en andere stoffen elektrische stroom zonder verlies. Bij nog lagere temperaturen kunnen extra kwantumfysische effecten optreden, die zowel relevant zijn voor fundamenteel onderzoek als voor toepassingen in kwantumtechnologieën.

Het is echter buitengewoon moeilijk om dergelijke temperaturen te bereiken - minder dan een duizendste graad boven het absolute nulpunt van 0 Kelvin, of -273,15 graden Celsius. Natuurkundigen in de onderzoeksgroep van Prof. Dr. Dominik Zumbühl aan de Universiteit van Basel hebben samen met collega's van het VTT Technical Research Center in Finland en aan de Lancaster University in Engeland nu een nieuw record bij lage temperaturen neergezet. Hun resultaten zijn zojuist gepubliceerd in Physical Review Research.

Koeling met magnetische velden

"Het sterk afkoelen van een materiaal is niet het enige probleem", legt Christian Scheller uit, een senior wetenschapper in het laboratorium van Zumbühl. "Je moet die extreem lage temperaturen ook betrouwbaar meten."

In hun experimenten koelden de onderzoekers een klein elektrisch circuit gemaakt van koper op een siliciumchip door het eerst bloot te stellen aan een sterk magnetisch veld, het vervolgens af te koelen met een speciale koelkast die bekend staat als een cryostaat en uiteindelijk het magnetische veld langzaam af te bouwen. Op deze manier werden de kernspins van de koperatomen in de chip aanvankelijk uitgelijnd als kleine magneten en werden ze effectief nog verder afgekoeld toen, aan het einde, het afbouwen van het magnetische veld leidde tot een afname van hun magnetische energie.

"We werken nu al tien jaar met dergelijke technieken, maar tot nu toe werden de laagste temperaturen die op deze manier konden worden bereikt, beperkt door de trillingen van de koelkast", zegt Omid Sharifi Sedeh, die als proefpersoon bij de experimenten betrokken was. doctoraat leerling.

Die trillingen, die ontstaan ​​door de continue compressie en verdunning van het koelmiddel helium in een zogenaamde "droge" cryostaat, verhitten de chip aanzienlijk. Om dat te voorkomen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe monsterhouder die zo sterk is bedraad dat de chip ondanks de trillingen tot zeer lage temperaturen kan worden gekoeld.

Robuuste thermometer

Om die temperaturen nauwkeurig te meten, verbeterden Zumbühl en zijn medewerkers een speciale thermometer die in het circuit is geïntegreerd. De thermometer bestaat uit koperen eilanden die met elkaar verbonden zijn door zogenaamde tunnelknooppunten. Afhankelijk van de temperatuur kunnen elektronen min of meer gemakkelijk door die knooppunten bewegen.

De natuurkundigen vonden een methode om de thermometer robuuster te maken tegen materiaaldefecten en tegelijkertijd temperatuurgevoeliger. Hierdoor konden ze uiteindelijk een temperatuur meten van slechts 220 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt (220 micro Kelvin).

In de toekomst willen de Bazelse onderzoekers met hun methode de temperatuur nog een factor tien verlagen en op termijn ook halfgeleidermaterialen koelen. Dat maakt de weg vrij voor onderzoek naar nieuwe kwantumeffecten en diverse toepassingen, zoals de optimalisatie van qubits in kwantumcomputers. + Verder verkennen

De koudste chip ter wereld