De allereerste meting van de temperatuur van elektronen in een nano-elektronisch apparaat een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt werd gedemonstreerd in een gezamenlijk onderzoeksproject uitgevoerd door VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Lancaster-universiteit, en Aivon Ltd. Het team slaagde erin de elektronen in een circuit op een siliciumchip kouder te maken dan eerder was bereikt.

Hoewel het al lang mogelijk is om monsters van bulkmetalen te koelen, zelfs onder 1 millikelvin, het is erg moeilijk gebleken om deze temperatuur over te dragen aan elektronen in kleine elektronische apparaten, vooral omdat de interactie tussen de geleidende elektronen en het kristalrooster extreem zwak wordt bij lage temperaturen. Door ultramoderne micro- en nanofabricage en baanbrekende meetbenaderingen te combineren, realiseerde het onderzoeksteam ultralage elektronentemperaturen die 3,7 millikelvin bereikten in een nano-elektronisch tunnelingapparaat. Een wetenschappelijk artikel over het onderwerp is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 27 januari 2016.

Deze doorbraak effent de weg naar sub-millikelvin nano-elektronische circuits en is een volgende stap op weg naar de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën, waaronder kwantumcomputers en sensoren. Kwantumtechnologieën gebruiken kwantummechanische effecten om beter te presteren dan elke mogelijke technologie die alleen op klassieke fysica is gebaseerd. In het algemeen, veel magnetische veldsensoren en stralingsdetectoren met hoge gevoeligheid vereisen lage temperaturen om de schadelijke thermische ruis te verminderen.

Dit werk markeert de creatie van een sleuteltechnologie die O&O in nanowetenschappen zal vergemakkelijken, vastestoffysica, materiaalwetenschap en kwantumtechnologieën. Het gedemonstreerde nano-elektronische apparaat is een zogenaamde primaire thermometer, d.w.z., een thermometer die geen kalibratie vereist. Dit maakt de technologie zeer aantrekkelijk voor instrumentatietoepassingen bij lage temperaturen en metrologie.

De doorbraak werd mogelijk gemaakt door het samenbrengen van internationaal toonaangevende groepen en experts die elk hun eigen staat van dienst hebben op het gebied van nanotechnologieën en hoogwaardige sensoren (VTT Technical Research Centre of Finland Ltd), aangepaste geluidsarme elektronica (Aivon Ltd, Finland) en ultralage temperatuurkoeling en apparaatkarakterisering (Ultra Low Temperature Physics group en Quantum Technology Center in Lancaster).

VTT onderzoekt samen met BlueFors Cryogenics de mogelijkheden om de primaire thermometercomponent te commercialiseren.

Dr. Mika Prünnila, Onderzoeksteamleider nano-elektronica bij VTT, zei:"Het creëren van een nieuw meetinstrument voor kalibratievrije thermometrie is een grote stap voorwaarts. Dit is een belangrijk apparaat voor kwantummachines die een omgeving met lage temperaturen nodig hebben om te kunnen werken en het apparaat is nu beschikbaar voor het benchmarken van verschillende systemen."

Dr. Rich Haley, Hoofd van Ultra Low Temperature Physics bij Lancaster, zei:"Dit is een opmerkelijke prestatie omdat het team eindelijk de barrière van 4 millikelvin heeft doorbroken, dat is al meer dan 15 jaar het record in dergelijke structuren."

Dr. Jon Prance van het Lancaster Quantum Technology Center zei:"We hebben niet alleen de koudste nano-elektronicatemperatuur ooit gemeten, maar we hebben ook technieken gedemonstreerd die de deur openen naar nog lagere temperaturen."