Los investigadores de VTT han demostrado con éxito una nueva tecnología de refrigeración electrónica que podría permitir grandes avances en el desarrollo de computadoras cuánticas. Las computadoras cuánticas actuales requieren una infraestructura de enfriamiento extremadamente complicada y grande que se basa en una mezcla de isótopos de helio. La nueva tecnología de enfriamiento electrónico podría reemplazar estas mezclas de líquidos criogénicos y permitir la miniaturización de computadoras cuánticas.

En este método de refrigeración puramente eléctrico, El enfriamiento y el aislamiento térmico funcionan eficazmente a través del mismo punto como unión. En el experimento, los investigadores suspendieron una pieza de silicio de tales uniones y refrigeraron el objeto alimentando corriente eléctrica de una unión a otra a través de la pieza. La corriente redujo la temperatura termodinámica del objeto de silicio hasta en un 40% de la del entorno. Esto podría conducir a la miniaturización de futuras computadoras cuánticas, ya que puede simplificar significativamente la infraestructura de refrigeración requerida. El descubrimiento ha sido publicado en Avances de la ciencia .

"Esperamos que este método de enfriamiento electrónico recién descubierto pueda usarse en varias aplicaciones, desde la miniaturización de computadoras cuánticas hasta sensores de radiación ultrasensibles del campo de la seguridad". "dice el profesor de investigación Mika Prunnila del Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia.

Nuevas oportunidades para la ciencia y los negocios

Varios dispositivos electrónicos y ópticos sensibles requieren un funcionamiento a baja temperatura. Un ejemplo oportuno es una computadora cuántica construida a partir de circuitos superconductores, que requieren refrigeración cercana al cero absoluto de temperatura termodinámica (-273,15 grados C).

Hoy dia, Los ordenadores cuánticos superconductores se enfrían mediante los denominados refrigeradores de dilución, que son enfriadores de múltiples etapas basados ​​en el bombeo de líquidos criogénicos. La complejidad de este frigorífico surge de la etapa más fría, cuyo funcionamiento se basa en bombear una mezcla de diferentes isótopos de helio. Aunque los refrigeradores de dilución modernos son tecnología comercial, todavía son grandes, costosos instrumentos científicos. La tecnología de enfriamiento electrónico desarrollada por los investigadores de VTT podría reemplazar las partes complejas más frías y conducir a reducciones significativas en la complejidad. costo y tamaño.

"El efecto de enfriamiento demostrado se puede utilizar para enfriar activamente circuitos cuánticos en un chip de silicio o en refrigeradores a gran escala. No hace falta decir que en Bluefors estamos siguiendo este nuevo desarrollo de refrigeradores eléctricos con gran interés, "dice David Gunnarsson, director de ventas de Bluefors Oy, la empresa líder en soluciones frigoríficas para sistemas cuánticos y ordenadores.

Solución sencilla a un problema de física aparentemente fundamental

El equipo de investigación estaba buscando un método eficaz y práctico para impulsar el calor de un lugar a otro a través de la corriente eléctrica. La solución más eficiente sería proporcionada por una unión sólida, donde los electrones más calientes escalan una barrera de potencial de escala atómica corta. El desafío con este enfoque es que el calor no es transportado solo por los electrones, pero también por los cuantos de las vibraciones de la red atómica, los llamados fonones, también transportan una cantidad significativa de calor. Los fonones que viajan entre el calor y el frío nivelan las diferencias de temperatura de manera muy efectiva, especialmente en una distancia corta.

Parecía que el método de enfriamiento electrónico más eficiente siempre conducía a la peor fuga de calor de fonón posible, y por lo tanto, un resultado nulo en términos de enfriamiento general. El equipo de investigación de VTT postuló que podría existir una solución sencilla a este problema aparentemente fundamental:ciertas uniones de materiales podrían bloquear la propagación de los fonones mientras los electrones calientes pasan a través de él.

El equipo demostró el efecto mediante el uso de uniones semiconductor-superconductor para refrigerar un chip de silicio. En estas uniones, los estados electrónicos prohibidos en el superconductor forman una barrera sobre la cual los electrones del semiconductor tienen que trepar para expulsar el calor. Al mismo tiempo, la unión misma dispersa o bloquea los fonones con tanta eficacia que la corriente electrónica puede introducir una diferencia de temperatura significativa sobre la unión.

"Creemos que este efecto de enfriamiento se puede observar en muchos entornos, por ejemplo, en uniones moleculares, "dice la investigadora Emma Mykkänen de VTT.