Когда материалы охлаждаются до экстремально низких температур, их поведение часто сильно отличается от поведения при комнатной температуре. Хорошо известным примером является сверхпроводимость: ниже критической температуры некоторые металлы и другие вещества проводят электрический ток без каких-либо потерь. При еще более низких температурах могут возникать дополнительные квантово-физические эффекты, которые имеют отношение как к фундаментальным исследованиям, так и к приложениям в квантовых технологиях.

Однако достичь таких температур - менее чем на тысячную долю градуса выше абсолютного нуля 0 Кельвинов, или -273,15 градуса Цельсия - чрезвычайно сложно. Физики из исследовательской группы профессора д-ра Доминика Зумбюля из Базельского университета вместе с коллегами из Центра технических исследований VTT в Финляндии и Ланкастерского университета в Англии установили новый рекорд низких температур. Их результаты только что были опубликованы в научном журнале Исследование физического обзора.

Охлаждение магнитными полями

"Очень сильное охлаждение материала - не единственная проблема", - объясняет Кристиан Шеллер, старший научный сотрудник лаборатории Зумбюля: "Также необходимо надежно измерять эти чрезвычайно низкие температуры". В своих экспериментах исследователи охлаждали крошечную электрическую цепь, сделанную из меди на кремниевом чипе, сначала подвергая ее воздействию сильного магнитного поля, затем охлаждая ее с помощью специального холодильника, известного как криостат, и в конечном итоге медленно уменьшая магнитное поле. Таким образом, ядерные спины атомов купера в чипе изначально были выровнены подобно маленьким магнитам и эффективно охлаждались еще больше, когда, в конце концов, уменьшение магнитного поля привело к уменьшению их магнитной энергии.

"Мы работаем с такими методами уже десять лет, но до сих пор самые низкие температуры, которых можно было достичь таким образом, были ограничены вибрациями холодильника", - говорит Омид Шарифи Седех, который участвовал в экспериментах в качестве аспиранта. Те вибрации, которые возникают в результате непрерывного сжатия и разрежения охлаждающего агента гелия в так называемом "сухом" криостате, значительно нагревают чип. Чтобы избежать этого, исследователи разработали новый держатель образца, который соединен проволокой настолько прочно, что чип можно охлаждать до очень низких температур, несмотря на вибрации.

Надежный термометр

Чтобы точно измерить эти температуры, Зумбюль и его сотрудники усовершенствовали специальный термометр, встроенный в схему. Термометр состоит из медных островков, которые соединены так называемыми туннельными соединениями. Электроны могут перемещаться через эти переходы более или менее легко в зависимости от температуры. Физики нашли способ сделать термометр более устойчивым к дефектам материала и, в то же время, более чувствительным к температуре. Это позволило им, наконец, измерить температуру всего в 220 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля (220 микрокельвинов).

В будущем исследователи из Базеля хотят использовать свой метод для снижения температуры еще в десять раз и, в долгосрочной перспективе, также для охлаждения полупроводниковых материалов. Это проложит путь к изучению новых квантовых эффектов и разнообразных приложений, таких как оптимизация кубитов в квантовых компьютерах.