Rekor Dunia:Chip Nanoelektronik Didinginkan hingga 2,8miliKelvin
- Fisikawan telah mendinginkan chip nanoelektrik hingga 2,8 miliKelvin, sehingga memecahkan rekor dunia.
- Mereka menggunakan teknik pendinginan magnetik untuk mengurangi suhu chip dan sambungan listrik.
- Dengan beberapa pengoptimalan, teknik yang sama dapat mencapai batas 1 miliKelvin.
Semua orang suka berkompetisi demi rekor dan tidak ada yang lebih baik daripada perasaan mencapai sesuatu yang luar biasa. Bahkan para ilmuwan suka memecahkan rekor, itulah sebabnya beberapa tim dari seluruh dunia sedang mengerjakan sistem pendingin berteknologi tinggi untuk mencapai suhu sedekat mungkin dengan nol mutlak.
Nol mutlak (0 K atau -273,15°C) adalah titik di mana partikel-partikel alam mempunyai gerak vibrasi minimum, dan hanya mempertahankan gerak partikel yang disebabkan oleh energi titik nol mekanika kuantum. Suhu yang sangat rendah ini memberikan kondisi ideal untuk eksperimen kuantum dan memungkinkan kita mempelajari fenomena fisik yang benar-benar baru.
Para ilmuwan di Universitas Basel telah mendinginkan chip nanoelektrik menjadi 2,8 miliKelvin. Untuk mencapai rekor ini mereka menggunakan teknik pendinginan magnetik untuk mengurangi suhu chip dan sambungan listriknya. Mari kita cari tahu secara detail tentang apa yang mereka gunakan untuk membuat chip nanoelektronik terdingin.
Pendinginan Magnetik
Para fisikawan memanfaatkan prinsip pendinginan magnetik dalam nanoelektronik untuk mendinginkan perangkat mendekati nol mutlak. Dalam teknik ini, suatu sistem didinginkan dengan menerapkan medan magnet sekaligus mencegah aliran panas eksternal. Namun, magnetisasi panas harus dihilangkan sebelum medan magnet diturunkan.
Secara khusus, teknologi pendinginan magnetik didasarkan pada efek magnetocaloric – mekanisme magneto termodinamika di mana perubahan suhu bahan tertentu disebabkan oleh pemaparan bahan terhadap medan magnet yang bervariasi.
Dalam proses ini, penurunan kekuatan medan magnet eksternal memungkinkan domain magnetik material magnetokalori mengalami disorientasi dari medan magnet melalui energi panas (foton) yang ada dalam material. Jika material diisolasi sehingga tidak ada energi yang dapat berpindah kembali, suhu akan berkurang seiring domain menyerap energi panas untuk melakukan orientasinya.
Misalnya, paduan Praseodymium dengan nikel memiliki efek magnetokalori yang sangat kuat – memungkinkan fisikawan mencapai 1 miliKelvin.
Mencapai Tingkat Suhu Minimum
Untuk mencapai seperseribu derajat nol mutlak, fisikawan menggunakan kombinasi dua sistem pendingin, yang keduanya didasarkan pada pendinginan magnetik. Mereka mengurangi suhu semua sambungan listrik hingga 150 mikroKelvin.
Langkah selanjutnya adalah mengintegrasikan sistem pendingin kedua ke dalam chip dan menempatkan termometer blokade Coulomb di atasnya. Komposisi material dan konstruksi keseluruhan sistem memungkinkannya mencapai suhu hampir serendah nol mutlak.
Termometer blokade Coulomb metalik (CBT) adalah termometer elektronik yang andal dan akurat yang mampu beroperasi hingga 10 miliKelvin dan sedikit di bawahnya. Biasanya berisi susunan linier persimpangan terowongan Al/AlOx/Al dengan pulau logam tembaga di antaranya.
Gambar ini menunjukkan skema dengan CBT yang dibungkus dalam kotak tembaga (kuning), dipasang pada filter gelombang mikro Ag-epoksi (abu-abu), dan ditempelkan pada pelat Cu (oranye) dengan Ag-epoksi. Gambar B adalah mikrograf elektron dari pulau CBT dengan persimpangan terowongan. Gambar C hanyalah tampilan persimpangan terowongan yang diperbesar.
Khususnya, demagnetisasi adiabatik pada kabel elektronik dan pulau logam besar pada termometer blokade Coulomb mengurangi kebocoran panas eksternal melalui kabel sekaligus memberikan pendinginan pada chip. Suhu turun menjadi2,8 ± 0,1 miliKelvin.
Untuk saat ini, fisikawan dapat mempertahankan suhu yang sangat rendah ini selama hampir 7 jam, yang merupakan waktu yang cukup untuk melakukan berbagai eksperimen yang akan membantu kita lebih memahami sifat fisika yang mendekati nol mutlak.
Referensi:Scitasi | doi.org/10.1063/1.5002565 | Universitas Basel
Kelebihan
Chip dengan CBT, disiapkan untuk eksperimen | Sumber:Universitas Basel
Pencapaian suhu serendah itu pada perangkat elektronik dapat menjadi kunci bagi keadaan kuantum baru seperti fase putaran nuklir heliks, feromagnet Hall kuantum, keadaan Hall kuantum fraksional yang rapuh, atau polarisasi putaran nuklir penuh.
Selain itu, perangkat hibrida Majorana dan koherensi qubit semikonduktor dan superkonduktor dapat memperoleh manfaat dari suhu yang lebih rendah. Kami juga dapat mengembangkan jaringan paralel lemari es nuklir untuk mengadaptasi metodologi Demagnetisasi Nuklir Adiabatik yang terkenal untuk eksperimen transportasi elektronik.
Apa Selanjutnya?
Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, kami dapat meningkatkan penyaringan gelombang mikro, mengurangi pemanasan arus eddy akibat getaran karena redaman aktif, memperbaiki struktur pendukung tahap nuklir ke rakitan pendukung magnet dan pelindung ruang pencampuran.
Baca:Simulator Quantum Terbesar Dengan 53 Qubit
Hal ini akan membantu kita meningkatkan proses pendinginan awal yang tidak efisien serta mengurangi kebocoran panas dinamis yang besar, sehingga mengurangi suhu akhir setelah Demagnetisasi Nuklir Adiabatik. Tim peneliti mengklaim bahwa teknik yang sama bisa mencapai batas 1 miliKelvin.
