Quando i materiali vengono raffreddati a temperature estremamente basse, il loro comportamento spesso differisce notevolmente da quello a temperatura ambiente. Un esempio noto è la superconduttività:al di sotto di una temperatura critica alcuni metalli e altre sostanze conducono corrente elettrica senza perdite. A temperature ancora più basse possono verificarsi ulteriori effetti fisico-quantistici, che sono rilevanti per la ricerca di base e per le applicazioni nelle tecnologie quantistiche.

Tuttavia, raggiungere tali temperature, meno di un millesimo di grado sopra lo zero assoluto di 0 Kelvin, o -273,15 gradi Celsius, è estremamente difficile. I fisici del gruppo di ricerca del Prof. Dr. Dominik Zumbühl dell'Università di Basilea, insieme ai colleghi del Centro di ricerca tecnica VTT in Finlandia e dell'Università di Lancaster in Inghilterra, hanno ora stabilito un nuovo record di bassa temperatura. I loro risultati sono stati appena pubblicati in Physical Review Research.

Raffreddamento con campi magnetici

"Il raffreddamento molto forte di un materiale non è l'unico problema", spiega Christian Scheller, uno scienziato senior nel laboratorio di Zumbühl. "Bisogna anche misurare in modo affidabile quelle temperature estremamente basse".

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno raffreddato un minuscolo circuito elettrico fatto di rame su un chip di silicio esponendolo prima a un forte campo magnetico, quindi raffreddandolo con un frigorifero speciale noto come criostato e infine diminuendo lentamente il campo magnetico. In questo modo, gli spin nucleari degli atomi di rame nel chip erano inizialmente allineati come piccoli magneti e in effetti si sono ulteriormente raffreddati quando, alla fine, la diminuzione del campo magnetico ha portato a una diminuzione della loro energia magnetica.

"Lavoriamo con tali tecniche da un decennio ormai, ma finora le temperature più basse che potevano essere raggiunte in questo modo erano limitate dalle vibrazioni del frigorifero", afferma Omid Sharifi Sedeh, che è stato coinvolto negli esperimenti come dottorato di ricerca alunno.

Quelle vibrazioni, che derivano dalla continua compressione e rarefazione dell'agente di raffreddamento elio in un cosiddetto criostato "a secco", riscaldano notevolmente il chip. Per evitarlo, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo portacampioni che è cablato in modo così forte che il chip può essere raffreddato a temperature molto basse nonostante le vibrazioni.

Termometro robusto

Per misurare con precisione quelle temperature, Zumbühl e i suoi collaboratori hanno migliorato uno speciale termometro integrato nel circuito. Il termometro è costituito da isole di rame collegate da cosiddette giunzioni a tunnel. Gli elettroni possono muoversi attraverso quelle giunzioni più o meno facilmente a seconda della temperatura.

I fisici hanno trovato un metodo per rendere il termometro più robusto contro i difetti del materiale e, allo stesso tempo, più sensibile alla temperatura. Questo ha permesso loro, infine, di misurare una temperatura di appena 220 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto (220 micro Kelvin).

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. Ciò aprirà la strada allo studio di nuovi effetti quantistici e diverse applicazioni, come l'ottimizzazione dei qubit nei computer quantistici. + Esplora ulteriormente

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