世界纪录：纳米电子芯片冷却至 2.8 毫开尔文

• 物理学家已将纳米电芯片冷却至 2.8 毫开尔文，创造了世界纪录。 
• 他们使用磁冷却技术来降低芯片和电气连接的温度。 
• 通过一些优化，相同的技术可以达到 1 毫开尔文极限。 

每个人都喜欢争夺记录，没有什么比取得非凡成就的感觉更好的了。即使是科学家也喜欢打破记录，这就是为什么来自世界各地的几个团队正在研究高科技冷却系统，以达到尽可能接近绝对零的温度。

绝对零（0 K 或 -273.15°C）是自然界粒子具有最小振动运动的点，仅保留量子力学零点能量引起的粒子运动。这些极低的温度为量子实验提供了理想的条件，使我们能够研究全新的物理现象。

巴塞尔大学的科学家已将纳米电子芯片冷却至 2.8 毫开尔文。为了实现这一记录，他们使用磁冷却技术来降低芯片及其电气连接的温度。让我们详细了解他们使用什么来构建最冷的纳米电子芯片。

磁制冷

物理学家利用纳米电子学中的磁制冷原理，将设备冷却到接近绝对零的温度。在该技术中，通过施加磁场来冷却系统，同时防止外部热流。但在磁场减弱之前应消除热磁化。

具体来说，磁冷却技术基于磁热效应——一种磁热力学机制，通过将材料暴露在变化的磁场中而引起适当材料的温度变化。

在此过程中，外部磁场强度的下降使得磁热材料的磁畴通过材料中存在的热能（光子）而从磁场中迷失方向。如果材料被隔离，从而没有能量可以重新迁移，那么当域吸收热能以执行其取向时，温度就会降低。

例如，镨与镍的合金具有非常强大的磁热效应 - 它允许物理学家达到 1 毫开尔文以内。

达到最低温度水平

为了达到千分之一度的绝对零度，物理学家结合使用了两个冷却系统，这两个系统都基于磁制冷。他们将所有电气连接的温度降低至 150 微开尔文。

下一步是将第二个冷却系统集成到芯片中，并在其上放置库仑封锁温度计。系统的材料成分和整体结构使它们能够达到几乎低至绝对零的温度。

金属库仑封锁温度计 (CBT) 是一种可靠且准确的电子温度计，能够在低至 10 毫开尔文或稍低的温度下工作。通常它包含 Al/AlOx/Al 隧道结的线性阵列，其间有铜金属岛。

该图显示了 CBT 封装在铜盒（黄色）中、连接到银环氧树脂微波滤波器（灰色）并用银环氧树脂粘在铜板（橙色）上的原理图。图 B 是带有隧道结的 CBT 岛的电子显微照片。图C只是隧道连接处的放大图。

特别是，电子引线和库仑封锁温度计的大金属岛的绝热退磁减少了通过引线的外部热泄漏，同时提供了片上制冷。温度降至2.8 ±0.1毫开尔文。 

目前，物理学家可以将这些极低的温度维持近7个小时，这足以进行广泛的实验，这将有助于我们更好地理解接近绝对零的物理特性。

参考：引用| doi.org/10.1063/1.5002565 | 巴塞尔大学

优点

带CBT的芯片，为实验做准备|资料来源：巴塞尔大学

在电子设备中实现如此低的温度可能是新型物质量子态的关键，例如螺旋核自旋相、量子霍尔铁磁体、脆弱的分数量子霍尔态或全核自旋极化。

此外，混合马约拉纳器件以及半导体和超导量子位的相干性可以受益于较低的温度。 我们还可以开发核制冷机的并行网络，以采用众所周知的绝热核退磁方法进行电子传输实验。

下一步是什么？

为了获得更好的效果，我们可以改进微波滤波，减少主动阻尼引起的振动涡流加热，将核级的支撑结构固定在磁体支撑组件和混合室屏蔽上。

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这将有助于我们增强低效的预冷过程，并减少大的动态热泄漏，从而降低绝热核退磁后的最终温度。研究小组声称，同样的技术可以达到 1 毫开尔文极限。