世界上最冷的晶元誕生！

導讀

瑞士巴塞爾大學的物理學家們成功地將一種納米電子晶元冷卻至3毫開爾文以下。瑞士、德國、芬蘭三國科學家合作創造了這項紀錄。他們使用「磁冷卻」的方法冷卻電氣連接和晶元本身。

背景

時下，隆冬已至，溫度降至零下幾攝氏度，就已經讓我們凍得瑟瑟發抖。

然而，這一切比起最寒冷的溫度：絕對零度，還差很遠。絕對零度，是熱力學的最低溫度，但只是理論上的下限值。熱力學溫標的單位是開爾文（K），絕對零度就是開爾文溫度標（簡稱開氏溫度標，記為K）定義的零點。0K約等於攝氏溫標零下273.15攝氏度，即0開爾文或者-273.15°C。

接近絕對零度時，會發生許多奇特的物理現象，其中最著名的就是：超導現象。1911年，荷蘭科學家發現，將汞冷卻至 -268.98℃（4.2K）時，汞的電阻幾乎突然消失了。此時，汞實際上就成為了超導體。

（圖片來源：維基百科）

科學家們爭相創造最低溫度的紀錄，全世界大量的研究小組使用高科技冷凍機，使溫度儘可能地接近絕對零度。之所以物理學家們儘可能地將他們的裝置冷卻至接近絕對零度，是因為這種極端低溫為量子設備提供了一種理想條件，用於檢驗全新的物理現象。

創新

最近，瑞士巴塞爾大學的物理學家們成功地將一種納米電子晶元冷卻至3毫開爾文以下。瑞士納米科學研究所物理系的科學家們，與德國和芬蘭的大學合作，創造了這項紀錄。他們使用「磁冷卻」的方法冷卻電氣連接以及晶元本身。研究成果發表於《 Applied Physics Letters》期刊。

（圖片來源：巴塞爾大學物理系）

技術

巴塞爾大學物理系教授 Dominik Zumbühl 領導的科研小組之前表示，在納米電子領域，利用「磁冷卻」原理可以冷卻納米電子設備，使其前所未有地接近絕對零度。磁冷卻基於這樣一個事實：當施加的磁場逐漸下降且避免任何的外界熱流時，系統可以逐漸冷卻下來。在系統溫度下降之前，磁化的熱量需要通過其他方法去除，從而保證有效的磁冷卻。

（圖片來源：參考資料【2】）

這正是Zumbühl 的團隊所用的方法，他們將納米電子晶元的溫度冷卻至2.8毫開爾文以下，創造了新的低溫紀錄。論文領導作者Mario Palma 博士和他的同事 Christian Scheller 成功地結合了這兩種基於磁冷卻的冷卻系統。他們將晶元的所有電氣連接冷卻至150微開爾文，而這個溫度距離絕對零度不足千分之一攝氏度。

然後，他們將第二個冷卻系統直接集成到晶元本身中，並在它上面安放了一個庫侖阻塞溫度計。這種構造和材料成分，讓他們能夠通過磁場將這個溫度計的溫度冷卻至接近於絕對零度。

價值

Zumbühl 表示，這兩種冷卻系統的結合讓他們可以將晶元的溫度冷卻至3毫開爾文以下，而且他們對於使用同樣的方法達到神奇的1毫開爾文的極限，感到樂觀。

另外一點也非常引人注目，科學家們可以將這些極低的溫度保持超過7小時。這為開展各種實驗，理解接近絕對零度時的物理特性，提供了足夠的時間。

關鍵字

絕對零度、晶元

參考資料

【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/The-coldest-chip-in-the-world.html

【2】M. Palma, C. P. Scheller, D. Maradan, A. V. Feshchenko, M. Meschke, D. M. Zumbühl. On-and-off chip cooling of a Coulomb blockade thermometer down to 2.8?mK. Applied Physics Letters, 2017; 111 (25): 253105 DOI: 10.1063/1.5002565

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