VTT -forskare har framgångsrikt demonstrerat en ny elektronisk kylteknik som kan möjliggöra stora steg i utvecklingen av kvantdatorer. Nuvarande kvantdatorer kräver extremt komplicerad och stor kylinfrastruktur som är baserad på blandning av isotoper av helium. Den nya elektroniska kyltekniken kan ersätta dessa kryogena vätskeblandningar och möjliggöra miniatyrisering av kvantdatorer.

I denna rent elektriska kylmetod, kylning och värmeisolering fungerar effektivt genom samma punkt som korsning. I experimentet hängde forskarna upp en bit kisel från sådana korsningar och kylde föremålet genom att mata elektrisk ström från en korsning till en annan genom biten. Strömmen sänkte den termodynamiska temperaturen på kiselobjektet så mycket som 40% från omgivningens. Detta kan leda till miniatyrisering av framtida kvantdatorer, eftersom det kan förenkla den nödvändiga kylinfrastrukturen avsevärt. Upptäckten har publicerats i Vetenskapliga framsteg .

"Vi förväntar oss att denna nyupptäckta elektroniska kylmetod kan användas i flera applikationer från miniatyrisering av kvantdatorer till ultrakänsliga strålningssensorer i säkerhetsfältet, ”säger forskningsprofessor Mika Prunnila från Finlands tekniska forskningscentrum.

Nya möjligheter för vetenskap och näringsliv

Flera känsliga elektroniska och optiska enheter kräver lågtemperaturdrift. Ett aktuellt exempel är en kvantdator byggd av supraledande kretsar, som kräver kylning nära den absoluta nollpunkten för den termodynamiska temperaturen (-273,15 grader C).

I dag, supraledande kvantdatorer kyls av så kallade utspädningskylskåp, som är flerstegskylare baserade på pumpning av kryogena vätskor. Komplexiteten i detta kylskåp härrör från det kallaste stadiet, vars drift är baserad på pumpning av en blandning av olika isotoper av helium. Även om moderna utspädningskylskåp är kommersiell teknik, de är fortfarande stora, dyra vetenskapliga instrument. Den elektroniska kyltekniken som utvecklats av VTT -forskarna kan ersätta de komplexaste kallaste delarna och leda till betydande minskningar av komplexiteten, kostnad och storlek.

"Den demonstrerade kylningseffekten kan användas för att aktivt kyla kvantkretsar på ett kiselchip eller i storskaliga kylskåp. Naturligtvis följer vi på Bluefors denna nya elektriska kylutveckling med stort intresse, säger David Gunnarsson, försäljningschef på Bluefors Oy, det ledande företaget av kylskåpslösningar för kvantsystem och datorer.

Enkel lösning på ett till synes grundläggande fysikproblem

Forskargruppen letade efter en effektiv och praktisk metod för att driva värme från en plats till en annan via elektrisk ström. Den mest effektiva lösningen skulle tillhandahållas av en solid korsning, där de hetaste elektronerna klättrar över en kort potentiell barriär i atomskala. Utmaningen med detta tillvägagångssätt är att värmen inte bara bärs av elektronerna, men också genom kvantiteten av atomgitterna vibrationer-så kallade fononer-bär också en betydande mängd av värmen. De fononer som färdas mellan den varma och kalla nivån släpper ut temperaturskillnaderna mycket effektivt, särskilt över en kort sträcka.

Det verkade som att den mest effektiva elektroniska kylmetoden alltid ledde till värsta möjliga fononvärmeläckage, och därför, ett noll resultat när det gäller total kylning. VTT -forskargruppen postulerade att en enkel lösning på detta till synes grundläggande problem kan finnas:Vissa materialkorsningar kan blockera utbredningen av fononerna medan de heta elektronerna passerar genom det.

Teamet visade effekten genom att använda halvledar-superledarkorsningar för att kyla ett kiselchip. I dessa korsningar, de förbjudna elektroniska tillstånden i superledaren bildar en barriär över vilken elektronerna från halvledaren måste klättra för att driva bort värmen. På samma gång, själva korsningen sprider eller blockerar fononerna så effektivt att den elektroniska strömmen kan införa en betydande temperaturskillnad över korsningen.

"Vi tror att denna kylningseffekt kan observeras i många inställningar, till exempel, i molekylära korsningar, säger forskaren Emma Mykkänen från VTT.