・物理学者がナノ電気チップを2.8ミリケルビンまで冷却し、世界記録を樹立しました。
・チップと電気接続部の温度を下げるために、磁気冷却技術を使いました。
・最適化すると、この技術で1ミリケルビンの限界に達することができます。
多くの人が記録を競うのを好みます。何か特別なことを達成したときの快感は何事にも変え難いものがあります。科学者でさえ記録を破ることに夢中になっています。だから、世界中のいくつかのチームが、可能な限り絶対零度に近い温度に到達するためのハイテク冷却システムの開発に取り組んでいるのです。
絶対零度（0 Kまたは-273.15℃）は、自然界の粒子の振動運動が最小となる点で、量子力学的なゼロ点エネルギーによる粒子運動のみが保持されます。この極低温は、量子実験に理想的な環境で、全く新しい物理現象を研究することができます。
バーゼル大学の科学者たちが、ナノエレクトリック・チップを2.8ミリケルビンまで冷却しました。この記録を達成するために、磁気冷却技術を用いてチップとその電気接続部の温度を下げました。ナノエレクトロニック・チップを最も低温にするために何を使ったのか、詳しく見てみましょう。
磁気冷凍システム
物理学者は、デバイスをより絶対零度に近い温度まで冷却するために、ナノエレクトロニクスに磁気冷凍の原理を利用しました。この技術は、外部からの熱の流れを防ぎながら磁場を印加してシステムを冷却します。ただし、磁場を下げる前に熱による磁化を除去する必要があります。
具体的に言うと、磁気冷却技術は、磁気熱力学的メカニズムである磁気熱量効果に基づいており、変化する磁場に材料を置くことによって、適切な材料の温度変化が引き起こされます。
このプロセスでは、外部磁場強度の低下により、磁気熱伝導性材料の磁気が、材料に存在する熱エネルギー（光子）を介して磁場からの向きを変えます。エネルギーが再び移動しないように、材料が離れると、磁場が向きを変えるために熱エネルギーを吸収するので、温度が低下します。
例えば、ニッケルと組み合わされたプラセオジムは、非常に強力な磁気熱量効果を持っています。
最低温度レベルの達成
絶対零度の1000分の1にするために、物理学者は2つの冷却システムを組み合わせました。彼らはすべての電気接続の温度を150マイクロケルビンにまで下げました。
次に、第2の冷却システムをチップに組み込み、その上にクーロン遮断温度計を設置しました。システムの材料構成と全体的な構造により、ほぼ絶対零度に近い温度に到達することができました。
金属クーロンブロッケード温度計（CBT）は、10ミリケルビン以下での動作が可能な、正確な電子温度計です。通常、Al/AlOx/Alトンネル接合の線形アレイと、その間に銅の金属島が入っています。
図aは、CBTを銅の箱（黄色）に封入し、Ag-エポキシのマイクロ波フィルター（灰色）に取り付け、Ag-エポキシで銅板（オレンジ色）に貼り付けた回路図。図bは、トンネル接合を持つCBTアイランドの電子顕微鏡の写真。図cは、トンネル接合の拡大図。
特に、電子リードとクーロンブロッケード温度計の大きな金属島の両方を断熱的に消磁することで、オンチップ冷凍を実現しながら、リードから外部へ熱が漏れるのを減らしました。温度は2.8±0.1ミリケルビンまで下がりました。
今のところ、物理学者はこの極低温を7時間近く維持することができます。絶対零度に近い物理特性をより詳しく理解するためのさまざまな実験を行うには十分です。
利点
実験準備を終えたCBT付きチップ| 画像元: バーゼル大学
電子デバイスでこのような低温を達成することは、らせん状核スピン相、量子ホール強磁性体、脆弱な分数量子ホール状態、完全な核スピン分極などの新しい量子状態を作り出すことができるようになるかもしれません。
さらに、ハイブリッド・マジョラナ素子や半導体と超伝導量子ビットの干渉は、低温で解決することができます。また、よく知られた断熱的核消磁の方法論を電子輸送実験に適応させるために、核冷凍機の並列ネットワークを開発することもできるようになります。
今後どうなるのか?
より良い結果を得るために、マイクロ波フィルタリングを改善し、アクティブダンピングにより振動による渦電流加熱を減少させ、原子核ステージの支持構造をマグネット支持アセンブリとミキシングチャンバーシールドに固定することが必要です。
これにより、非効率な予冷プロセスが強化され、大きな動的熱漏れを減少させ、断熱核消磁後の最終温度を下げることができます。研究チームは、同じ技術で1ミリケルビンの限界まで到達できると断言しています。
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