I ricercatori del VTT hanno dimostrato con successo una nuova tecnologia di refrigerazione elettronica che potrebbe consentire importanti passi avanti nello sviluppo dei computer quantistici. Gli attuali computer quantistici richiedono un'infrastruttura di raffreddamento estremamente complicata e di grandi dimensioni basata su una miscela di isotopi di elio. La nuova tecnologia di raffreddamento elettronico potrebbe sostituire queste miscele liquide criogeniche e consentire la miniaturizzazione dei computer quantistici.

In questo metodo di refrigerazione puramente elettrico, il raffreddamento e l'isolamento termico operano efficacemente attraverso lo stesso punto come la giunzione. Nell'esperimento i ricercatori hanno sospeso un pezzo di silicio da tali giunzioni e hanno refrigerato l'oggetto alimentando corrente elettrica da una giunzione all'altra attraverso il pezzo. La corrente ha abbassato la temperatura termodinamica dell'oggetto in silicio fino al 40% rispetto a quella dell'ambiente circostante. Questo potrebbe portare alla miniaturizzazione dei futuri computer quantistici, in quanto può semplificare notevolmente l'infrastruttura di raffreddamento richiesta. La scoperta è stata pubblicata su Progressi scientifici .

"Ci aspettiamo che questo metodo di raffreddamento elettronico appena scoperto possa essere utilizzato in diverse applicazioni dalla miniaturizzazione dei computer quantistici ai sensori di radiazione ultrasensibili del campo della sicurezza, " afferma il professore di ricerca Mika Prunnila del Centro di ricerca tecnica VTT della Finlandia.

Nuove opportunità per la scienza e il business

Diversi dispositivi elettronici e ottici sensibili richiedono un funzionamento a bassa temperatura. Un esempio tempestivo è un computer quantistico costruito con circuiti superconduttori, che richiedono una refrigerazione prossima allo zero assoluto di temperatura termodinamica (-273,15 gradi C).

Oggi, i computer quantistici superconduttori sono raffreddati dai cosiddetti frigoriferi a diluizione, che sono refrigeratori multistadio basati sul pompaggio di liquidi criogenici. La complessità di questo frigorifero nasce dalla fase più fredda, il cui funzionamento si basa sul pompaggio di una miscela di diversi isotopi di elio. Anche se i moderni frigoriferi a diluizione sono una tecnologia commerciale, sono ancora grandi, costosi strumenti scientifici. La tecnologia di raffreddamento elettronico sviluppata dai ricercatori del VTT potrebbe sostituire le parti più fredde complesse e portare a significative riduzioni di complessità, costo e dimensione.

"L'effetto di raffreddamento dimostrato può essere utilizzato per raffreddare attivamente i circuiti quantistici su un chip di silicio o in frigoriferi su larga scala. Inutile dire che noi di Bluefors stiamo seguendo con grande interesse questo nuovo sviluppo di frigoriferi elettrici, "dice David Gunnarsson, direttore vendite di Bluefors Oy, l'azienda leader nelle soluzioni frigorifere per sistemi quantistici e computer.

Soluzione semplice a un problema di fisica apparentemente fondamentale

Il team di ricerca stava cercando un metodo efficiente e pratico per portare il calore da un luogo all'altro tramite la corrente elettrica. La soluzione più efficiente sarebbe fornita da una giunzione solida, dove gli elettroni più caldi scavalcano una breve barriera di potenziale su scala atomica. La sfida con questo approccio è che il calore non è trasportato solo dagli elettroni, ma anche dai quanti delle vibrazioni del reticolo atomico, i cosiddetti fononi, trasportano anche una quantità significativa di calore. I fononi che viaggiano tra il caldo e il freddo livellano molto efficacemente le differenze di temperatura, soprattutto a breve distanza.

Sembrava che il metodo di raffreddamento elettronico più efficiente portasse sempre alla peggiore perdita di calore possibile dei fononi, e con ciò, un risultato nullo in termini di raffreddamento complessivo. Il team di ricerca VTT ha postulato che potrebbe esistere una soluzione semplice a questo problema apparentemente fondamentale:alcune giunzioni materiali potrebbero bloccare la propagazione dei fononi mentre gli elettroni caldi lo attraversano.

Il team ha dimostrato l'effetto utilizzando giunzioni semiconduttore-superconduttore per refrigerare un chip di silicio. In questi incroci, gli stati elettronici proibiti nel superconduttore formano una barriera sulla quale gli elettroni del semiconduttore devono arrampicarsi per allontanare il calore. Allo stesso tempo, la giunzione stessa disperde o blocca i fononi in modo così efficace che la corrente elettronica può introdurre una significativa differenza di temperatura sulla giunzione.

"Crediamo che questo effetto di raffreddamento possa essere osservato in molti ambienti, Per esempio, nelle giunzioni molecolari, " afferma la ricercatrice Emma Mykkänen di VTT.