Der kälteste Chip der Welt

Zahlreiche Forscherteams arbeiten weltweit daran, mit High­tech-Kühl­schränken Tempe­ra­turen mög­lichst nahe am abso­luten Null­punkt zu erreichen. Solche extrem tiefen Tempe­ra­turen bieten ideale Bedin­gungen für Quanten­experi­mente und ermög­lichen die Unter­suchung ganz neuer physi­ka­lischer Phäno­mene. Eine Arbeits­gruppe um Dominik Zum­bühl von der Uni Basel hat bereits vor einiger Zeit vor­ge­schlagen, das Prinzip der magne­tischen Kühlung in der Nano­elek­tronik ein­zu­setzen und damit nano­elek­tro­nische Geräte auf Tempe­ra­turen nahe dem abso­luten Null­punkt abzu­kühlen. Die magne­tische Kühlung beruht darauf, dass sich ein System abkühlt, wenn ein ange­legtes Magnet­feld abge­schaltet wird und eine externe Wärme­zu­fuhr unter­bunden wird. Damit die magne­tische Kühlung effektiv ist, muss vor dem Abschalten des Magnet­feldes die Wärme, die bei der Magne­ti­sie­rung eines Systems ent­steht, mit einer anderen Methode ent­zogen werden.

Auf diese Weise ist es dem Zumbühl-Team jetzt gelungen, einen nano­elek­tro­nischen Chip auf eine Tempe­ratur von unter 2,8 Milli­kelvin abzu­kühlen und damit den Kälte­rekord zu brechen. Den Forschern gelang dies durch die Kombi­nation von zwei Kühl­systemen, die beide auf magne­ischer Kühlung beruhen. Zum einen kühlten die Wissen­schaftler alle elek­trischen Leitungen des Chips und erreichte in den Leitungen dabei Tempe­ra­turen von nur 150 Mikro­kelvin. Zum anderen inte­grierten sie ein zweites Kühl­system direkt auf dem Chip selbst. Sie platzierten dazu ein Coulomb-Blockade-Thermo­meter auf dem Chip. Dank des Auf­baus und der Material­zu­sammen­setzung lässt sich dieses Thermo­meter eben­falls magne­tisch kühlen bis es fast den abso­luten Null­punkt erreicht.

„Wir können durch diese Kombination der Kühlsysteme unseren Chip auf unter drei Milli­kelvin kühlen und sind opti­mis­tisch, damit auch die magische Grenze von einem Milli­kelvin zu erreichen“, sagt Zum­bühl. Bemerkens­wert ist zudem, dass die Wissen­schaftler in der Lage sind, diese extrem tiefen Tempe­ra­turen über einen Zeit­raum von sieben Stunden auf­recht­zu­erhalten. Sie haben damit genug Zeit, ver­schie­dene Experi­mente durch­zu­führen, die helfen werden, die Physik nahe dem abso­luten Null­punkt zu ver­stehen.

U. Basel / RK