Nanoelektronisen laitteen elektronien lämpötilan laskeminen muutaman asteen tuhannesosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä on nyt osoitettu ensi kertaa maailmassa. Asialla on suomalais-brittiläinen tutkimusryhmä.

Kappaleiden jäähdyttäminen jopa alle yhden millikelvinin lämpötiloihin on ollut mahdollista jo pitkään, mutta alhaisen lämpötilan siirtäminen mikro- ja nanoelektroniikan komponenttien sähkövirtaa kuljettaviin elektroneihin on osoittautunut erittäin vaikeaksi.

Vaikeutena on, ettälektronien ja kidehilan välinen vuorovaikutus heikkenee äärimmilleen matalissa lämpötiloissa. Yhdistämällä uusimpia mikro- ja nanovalmistustekniikoita sekä mittausmenetelmiä tutkimusryhmä saavutti erittäin alhaisen 3,7 millikelvinin lämpötilan nanoelektroniikan tunneliliitoskomponentissa.

Nyt tutkiojat Teknologian tutkimuskeskus VTT:stä, Lancasterin yliopistosta ja suomalaisesta Aivon Oy:stä onnistuivat jäähdyttämään piisirulle rakennetun piirin elektronit kylmemmiksi kuin kukaan aiemmin. Amerikkalainen Nature Communications -tiedelehti on julkaissut tutkimustulokset tänään nettisivullaan (LINKKI)

Tutkimusryhmän läpimurto viitoittaa tietä alle yhden millikelvinin lämpötila-alueen nanoelektroniikan piireille ja on yksi askel kohti uusien kvanttiteknologian sovellusten, kuten kvanttitietokoneiden ja -antureiden, kehittämistä.

Kvanttiteknologia soveltaa kvanttimekaniikan ilmiöitä ja avaa mahdollisuuksia uusille innovaatioille, jotka ovat klassisen fysiikan periaatteisiin nojaavan teknologian ulottumattomissa. Nämä ilmiöt vaativat usein hyvin matalaa lämpötilaa, mutta sama pätee myös moniin herkkiin magneettikenttäantureihin ja säteilynilmaisimiin, joissa edellytetään mahdollisimman pientä lämpökohinaa.

Tutkimus tarjoaa tutkijoiden mukaan mahdollisuuksia luoda uutta teknologiaa, joka helpottaa nanotieteen, fysiikan, materiaalitieteen ja kvanttiteknologian parissa tehtävää tutkimus- ja kehitystyötä. Nyt esitelty tunneliliitoskomponentti on ns. primäärilämpömittari eli lämpömittari, jota ei tarvitse kalibroida. Tätä teknologiaa voidaan hyödyntää matalien lämpötilojen instrumentointisovelluksissa ja metrologiassa.

Läpimurron taustalla on kolmen organisaation yhteistyö: VTT nanoteknologian ja huippuherkkien antureiden kehittäjänä, Aivon Oy vähäkohinaisen elektroniikan valmistajana sekä Lancasterin yliopisto äärimmäisen matalien lämpötilojen jäähdytystekniikoiden kehittäjänä ja komponenttien karakterisoijana. Nyt VTT tutkii BlueFors Cryogenics -yrityksen kanssa tutkimuksessa esitellyn sähköisen primäärilämpömittarin kaupallistamismahdollisuuksia.

KUVATEKSTI: Yksittäisen elektronin tunneloitumisesta oksidista muodostetun tunnelivallin läpi primäärilämpömittarissa. Absoluuttinen lämpötila määritetään mittaamalla tunnelointivirta.