Den första mätningen någonsin av elektronernas temperatur i en nanoelektronisk enhet några tusendelar av en grad över absolut noll demonstrerades i ett gemensamt forskningsprojekt utfört av VTT Tekniska Forskningscentralen i Finland Ab, Lancaster University, och Aivon Ltd. Teamet lyckades göra elektronerna i en krets på ett kiselchip kallare än vad som tidigare hade uppnåtts.

Även om det länge har varit möjligt att kyla prover av bulkmetaller även under 1 millikelvin, det har visat sig mycket svårt att överföra denna temperatur till elektroner i små elektroniska enheter, främst för att interaktionen mellan de ledande elektronerna och kristallgittret blir extremt svag vid låga temperaturer. Genom att kombinera toppmoderna mikro- och nanotillverkning och banbrytande mätmetoder realiserade forskargruppen ultralåga elektrontemperaturer som nådde 3,7 millikelvin i en nanoelektronisk elektrontunnelanordning. En vetenskaplig artikel om ämnet publicerades i Naturkommunikation den 27 januari, 2016.

Detta genombrott banar väg mot sub-millikelvin nanoelektroniska kretsar och är ytterligare ett steg på vägen för att utveckla ny kvantteknologi inklusive kvantdatorer och sensorer. Kvantteknologier använder kvantmekaniska effekter för att överträffa alla möjliga teknologier som endast baseras på klassisk fysik. I allmänhet, många högkänsliga magnetfältssensorer och strålningsdetektorer kräver låga temperaturer helt enkelt för att minska skadligt termiskt brus.

Detta arbete markerar skapandet av en nyckelteknik som möjliggör forskning och utveckling inom nanovetenskap, fasta tillståndets fysik, materialvetenskap och kvantteknik. Den demonstrerade nanoelektroniska enheten är en så kallad primär termometer, dvs. en termometer som inte kräver någon kalibrering. Detta gör tekniken mycket attraktiv för lågtemperaturinstrumenteringstillämpningar och metrologi.

Genombrottet möjliggjordes genom att sammanföra internationellt ledande grupper och experter som var och en har sin egen meritlista av prestationer inom områdena nanoteknik och högpresterande sensorer (VTT Technical Research Centre of Finland Ltd). anpassad lågbruselektronik (Aivon Ltd, Finland) och ultralågtemperaturkylning och anordningskarakterisering (Ultra Low Temperature Physics-gruppen och Quantum Technology Center i Lancaster).

VTT undersöker möjligheter att tillsammans med BlueFors Cryogenics kommersialisera den primära termometerkomponenten.

Dr Mika Prunnila, Forskningsteamledare för nanoelektronik på VTT, sa:"Att skapa ett nytt mätverktyg för kalibreringsfri termometri är ett stort steg framåt. Detta är en viktig enhet för kvantmaskiner som behöver lågtemperaturmiljön för att fungera och enheten är tillgänglig just nu för benchmarking av olika system."

Dr Rich Haley, Chef för Ultra Low Temperature Physics på Lancaster, sa:"Detta är en anmärkningsvärd prestation eftersom laget äntligen har brutit igenom 4 millikelvin-barriären, vilket har varit rekordet i sådana strukturer i över 15 år."

Dr Jon Prance från Lancaster Quantum Technology Center sa:"Vi har inte bara mätt den kallaste temperaturen på nanoelektroniken någonsin, men vi har också visat tekniker som öppnar dörren till ännu lägre temperaturer."