Il raffreddamento dei materiali a temperature estreme è importante per la ricerca fisica di base e per le applicazioni tecniche. I ricercatori di Basilea sono riusciti a raffreddare un circuito elettrico su un chip a 220 microkelvin - vicino allo zero assoluto - migliorando uno speciale frigorifero e un termometro a bassa temperatura.
Quando i materiali vengono raffreddati a temperature estremamente basse, spesso si comportano in modo molto diverso rispetto alla temperatura ambiente. Un esempio ben noto è la superconduttività, in cui alcuni metalli e altri materiali conducono la corrente elettrica al di sotto di una temperatura critica senza subire alcuna perdita. A temperature ancora più basse, possono verificarsi ulteriori effetti fisici quantistici, molto interessanti sia per la ricerca di base che per le applicazioni nelle tecnologie quantistiche.
Tuttavia, raggiungere tali temperature - meno di un millesimo di grado sopra lo zero assoluto, ovvero 0 Kelvin o -273,15 gradi Celsius - è estremamente difficile. I fisici del gruppo di ricerca di Dominik Zumbühl dell’Università di Basilea hanno stabilito un nuovo record a bassa temperatura insieme ai colleghi del VTT Technical Research Centre in Finlandia e della Lancaster University in Inghilterra. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista Physical Review Research.
Raffreddamento con campi magnetici
Il problema non è solo raffreddare bruscamente un materiale", spiega Christian Scheller, assistente di ricerca nel laboratorio di Zumbühl, "ma anche misurare in modo affidabile le temperature estremamente basse". Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno raffreddato un piccolo circuito elettrico fatto di rame su un chip di silicio esponendolo prima a un forte campo magnetico, poi raffreddandolo con uno speciale frigorifero noto come criostato e infine abbassando lentamente il campo magnetico. Di conseguenza, gli spin nucleari degli atomi di rame contenuti nel chip erano inizialmente allineati come piccoli magneti e alla fine sono stati raffreddati ulteriormente dalla riduzione della loro energia magnetica causata dall’abbassamento del campo magnetico.
Lavoriamo con questi metodi da dieci anni", spiega Omid Sharifi Sedeh, che ha partecipato all’esperimento come dottorando, "ma finora le temperature più basse che potevano essere raggiunte in questo modo erano limitate dalle vibrazioni del frigorifero", che sono causate dalla costante compressione e diluizione dell’elio refrigerante in un cosiddetto criostato "a secco" e che riscaldano sensibilmente il chip. Per evitare che ciò accada, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo supporto che, nonostante le vibrazioni, raffredda il chip alla temperatura più bassa possibile.
Termometro robusto
Per poter misurare con precisione queste temperature, Zumbühl e i suoi colleghi hanno perfezionato uno speciale termometro incorporato nel circuito. Il termometro è costituito da isole di rame collegate tramite i cosiddetti contatti a tunnel. Gli elettroni possono muoversi attraverso questi contatti più o meno facilmente a seconda della temperatura. I fisici hanno ora trovato un metodo per rendere il termometro più robusto contro i difetti del materiale e più sensibile alla temperatura. Ciò ha permesso di misurare una temperatura di soli 220 milionesimi di grado sopra lo zero (220 microkelvin).
In futuro, i ricercatori di Basilea vogliono utilizzare il loro metodo per abbassare la temperatura di un altro fattore dieci e, a lungo termine, raffreddare anche i materiali semiconduttori. Questo aprirà la strada allo studio di nuovi effetti fisici quantistici, ma anche a varie applicazioni, come l’ottimizzazione dei qubit nei computer quantistici.
Pubblicazione originale
Mohammad Samani et al.
Elettronica a microkelvin su un criostato a tubo d’impulso con un termometro a gate con blocco di Coulomb.
Physical Review Research (2022), doi: 10.1103/PhysRevResearch.4.033225
