Kryostaten som baselfysikerna använde för att nå en rekordtemperatur på 220 mikrokelvin. Den speciella termometern tillsammans med en skala kan ses i mitten av bilden (gyllene rektangel). Kredit:University of Basel, Institutionen för fysik
När material kyls ner till extremt låga temperaturer skiljer sig deras beteende ofta kraftigt från det vid rumstemperatur. Ett välkänt exempel är supraledning:under en kritisk temperatur leder vissa metaller och andra ämnen elektrisk ström utan några förluster. Vid ännu lägre temperaturer kan ytterligare kvantfysikaliska effekter uppstå, vilka är relevanta för såväl grundforskning som för tillämpningar inom kvantteknologi.
Men att nå sådana temperaturer – mindre än en tusendels grad över den absoluta nollan på 0 Kelvin, eller -273,15 grader Celsius – är ytterst svårt. Fysiker i forskargruppen till prof. Dr Dominik Zumbühl vid universitetet i Basel har nu tillsammans med kollegor vid VTT Technical Research Centre i Finland och vid Lancaster University i England satt nytt lågtemperaturrekord. Deras resultat har precis publicerats i Physical Review Research.
Kylning med magnetfält
"Att kyla ner ett material mycket kraftigt är inte det enda problemet", förklarar Christian Scheller, senior forskare vid Zumbühls laboratorium. "Man måste också på ett tillförlitligt sätt mäta de extremt låga temperaturerna."
I sina experiment kylde forskarna en liten elektrisk krets gjord av koppar på ett kiselchip genom att först utsätta det för ett starkt magnetfält, sedan kyla det med ett speciellt kylskåp som kallas en kryostat och så småningom rampa ner magnetfältet långsamt. På detta sätt var kärnsnurren för kopparatomerna i chipet initialt inriktade som små magneter och kyldes effektivt ner ytterligare när, i slutet, rampning av magnetfältet ledde till en minskning av deras magnetiska energi.
"Vi har arbetat med sådana tekniker i ett decennium nu, men hittills har de lägsta temperaturerna som kunde uppnås på detta sätt begränsats av kylens vibrationer", säger Omid Sharifi Sedeh, som var involverad i experimenten som en Ph.D. studerande.
Dessa vibrationer, som uppstår från den kontinuerliga kompressionen och sällsyntheten av kylmedlet helium i en så kallad "torr" kryostat, värmer upp chipet avsevärt. För att undvika det har forskarna utvecklat en ny provhållare som är så stark att chippet kan kylas till mycket låga temperaturer trots vibrationerna.
Robust termometer
För att exakt mäta dessa temperaturer förbättrade Zumbühl och hans medarbetare en speciell termometer som är integrerad i kretsen. Termometern består av kopparöar som är förbundna med så kallade tunnelkorsningar. Elektroner kan röra sig genom dessa korsningar mer eller mindre lätt beroende på temperaturen.
Fysikerna hittade en metod för att göra termometern mer robust mot materialfel och samtidigt mer temperaturkänslig. Detta gjorde att de äntligen kunde mäta en temperatur på bara 220 miljondelar av en grad över absolut noll (220 mikrokelvin).
Baselforskarna vill i framtiden använda sin metod för att sänka temperaturen med ytterligare en faktor tio och på sikt även kyla halvledarmaterial. Det kommer att bana väg för studier av nya kvanteffekter och olika tillämpningar, såsom optimering av qubits i kvantdatorer. + Utforska vidare
