Физики охладили наноэлектронный чип до рекордно низкой температуры
Минимальную температуру работы наноэлектронных устройств понизили до 2,8 милликельвина. Такой величины удалось добиться в результате охлаждения с помощью адиабатического ядерного размагничивания как самого чипа, так и соединительных элементов. В дальнейшем с помощью подобного подхода можно получить температуры и в 0,1 милликельвина, пишут ученые в статье в Applied Physics Letters.
Чтобы в наноэлектронном устройстве реализовать неустойчивые квантовые состояния, его температура должна быть близка к абсолютному нулю (это −273,15 градусов Цельсия). Именно низкая температура позволяет повысить устойчивость квантовых фаз с необычным упорядочением ядерных спинов, а также снижает вероятность декогеренции кубитов в квантовых компьютерах. Однако из-за того, что теплопроводность при таких температурах становится очень маленькой, повышается чувствительность к любым тепловым колебаниям. Поэтому снижение температуры работы наноэлектронных устройств ниже 10 милликельвинов (что всего на 0,001 градуса выше абсолютного ноля) — довольно сложная задача.
Группа физиков из Швейцарии, Германии и Финляндии под руководством Доминика Цумбюля (Dominik M. Zumbuehl) из Базельского университета предложила новый подход для понижения температуры работы наноэлектронных устройств. Для этого ученые использовали термометр, основанный на эффекте кулоновской блокады. Такой термометр состоит из массива металлических островков, соединенных между собой непроводящими участками. Если к этой системе приложить напряжение, то электроны смогут туннелировать между островками, и измеренная проводимость становится прямым показателем температуры. С помощью такого устройства можно измерять температуры, очень близкие к абсолютному нулю. Ученые предложили использовать подсоединенный к наночипу термометр непосредственно для его охлаждения.
Для этого авторы исследования охлаждали металлические элементы термометра (это электрические соединения с прибором и сами металлические островки) с помощью адиабатического ядерного размагничивания, при котором температура понижается за счет постепенного размагничивании ядерных спинов материала. Это помогло, во-первых, снизить вероятность всех процессов теплообмена в соединительных элементах, а во-вторых, дополнительно охладить сам чип. В результате удалось добиться работы наноэлектронного устройства при всего 2,8 милликельвина. То есть температура, при которой работает электронный чип оказалась всего на 0,0028 градуса выше температуры абсолютного ноля. Такую низкую температуру ученые смогли удерживать до 7 часов.
Для описания процесса охлаждения ученые предложили теоретическую модель, с помощью которой удалось показать, что при определенных условиях можно добиться значения в 1 милликельвин, что позволит изучить свойства электронных систем при температурах, очень близких к абсолютному нулю.
К использованию для охлаждения адиабатического размагничивания, и, тем более адиабатического ядерного размагничивания, приходится прибегать только при необходимости совсем низких температур. Обычно же для снижения температуры используют жидкие газы, например, в криогенной технике часто используется жидкий гелий, который добывают из природного газа или редких месторождений. С помощью него можно получать температуры около 4,2 кельвина. А если откачивать пары газа над свободной поверхностью жидкости, можно довести температуру даже до значения в 0,7 кельвина.
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».