La prima misurazione in assoluto della temperatura degli elettroni in un dispositivo nanoelettronico a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto è stata dimostrata in un progetto di ricerca congiunto eseguito dal VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Università di Lancaster, e Aivon Ltd. Il team è riuscito a rendere gli elettroni in un circuito su un chip di silicio più freddi di quanto fosse stato ottenuto in precedenza.

Sebbene sia stato a lungo possibile raffreddare campioni di metalli sfusi anche al di sotto di 1 millikelvin, si è rivelato molto difficile trasferire questa temperatura agli elettroni in piccoli dispositivi elettronici, principalmente perché l'interazione tra gli elettroni conduttori e il reticolo cristallino diventa estremamente debole alle basse temperature. Combinando micro e nanofabbricazione all'avanguardia e approcci di misurazione pionieristici, il team di ricerca ha realizzato temperature degli elettroni ultrabasse che raggiungono i 3,7 millikelvin in un dispositivo nanoelettronico di tunneling elettronico. Un articolo scientifico sull'argomento è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura il 27 gennaio 2016.

Questa svolta apre la strada a circuiti nanoelettronici sub-millikelvin ed è un altro passo avanti verso lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche, inclusi computer e sensori quantistici. Le tecnologie quantistiche utilizzano gli effetti della meccanica quantistica per superare qualsiasi tecnologia possibile basata solo sulla fisica classica. Generalmente, molti sensori di campo magnetico ad alta sensibilità e rilevatori di radiazioni richiedono basse temperature semplicemente per ridurre il rumore termico dannoso.

Questo lavoro segna la creazione di una tecnologia abilitante chiave che faciliterà la ricerca e lo sviluppo nelle nanoscienze, fisica dello stato solido, scienza dei materiali e tecnologie quantistiche. Il dispositivo nanoelettronico dimostrato è un cosiddetto termometro primario, cioè., un termometro che non richiede calibrazione. Ciò rende la tecnologia molto interessante per applicazioni di strumentazione a bassa temperatura e metrologia.

La svolta è stata resa possibile riunendo gruppi ed esperti leader a livello internazionale, ognuno dei quali ha il proprio curriculum di risultati nel campo delle nanotecnologie e dei sensori ad alte prestazioni (VTT Technical Research Centre of Finland Ltd), elettronica a basso rumore personalizzata (Aivon Ltd, Finlandia) e la refrigerazione a temperatura ultrabassa e la caratterizzazione dei dispositivi (gruppo Ultra Low Temperature Physics e Quantum Technology Center a Lancaster).

VTT sta esaminando le possibilità insieme a BlueFors Cryogenics per commercializzare il componente principale del termometro.

Dottor Mika Prunnilla, Leader del team di ricerca sulla nanoelettronica presso VTT, ha dichiarato:"La creazione di un nuovo strumento di misurazione per la termometria senza calibrazione è un grande passo avanti. Questo è un dispositivo importante per le macchine quantistiche che hanno bisogno dell'ambiente a bassa temperatura per funzionare e il dispositivo è disponibile in questo momento per il benchmarking di diversi sistemi".

Dottor Rich Haley, Capo della Fisica della Temperatura Ultrabassa a Lancaster, ha dichiarato:"Questo è un risultato notevole in quanto la squadra ha finalmente sfondato la barriera dei 4 millikelvin, che è stato il record in tali strutture per oltre 15 anni."

Il dott. Jon Prance del Lancaster Quantum Technology Center ha dichiarato:"Non solo abbiamo misurato la temperatura nanoelettronica più fredda di sempre, ma abbiamo anche dimostrato tecniche che aprono la porta a temperature ancora più basse".