Fysikere satte ny lavtemperaturrekord

Når materialer kjøles ned til ekstremt lave temperaturer, avviker deres oppførsel ofte sterkt fra den ved romtemperatur. Et velkjent eksempel er superledning: under en kritisk temperatur leder noen metaller og andre stoffer elektrisk strøm uten tap. Ved enda lavere temperaturer kan det oppstå ytterligere kvantefysiske effekter, som er relevante for grunnforskning så vel som for anvendelser innen kvanteteknologi.

Men å nå slike temperaturer – mindre enn en tusendel av en grad over den absolutte null på 0 Kelvin, eller -273,15 grader Celsius – er ekstremt vanskelig. Fysikere i forskningsgruppen til prof. Dr. Dominik Zumbühl ved Universitetet i Basel, sammen med kolleger ved VTT Technical Research Center i Finland og ved Lancaster University i England, har nå satt ny lavtemperaturrekord. Resultatene deres har nettopp blitt publisert i Physical Review Research.

Avkjøling med magnetiske felt

“Å kjøle ned et materiale veldig sterkt er ikke det eneste problemet,” forklarer Christian Scheller, seniorforsker ved Zumbühls laboratorium. “Man må også måle dem pålitelig ekstremt lave temperaturer.”

I sine eksperimenter avkjølte forskerne en liten elektrisk krets laget av kobber på en silisiumbrikke ved først å utsette den for en sterk magnetfelt, for så å avkjøle den med et spesielt kjøleskap kjent som en kryostat og til slutt trappe ned magnetfeltet sakte. På denne måten ble kjernefysiske spinn av kobberatomene i brikken i utgangspunktet justert som små magneter og effektivt kjølt ned enda mer når, på slutten, ramping ned magnetfeltet førte til en reduksjon i deres magnetiske energi.

“Vi har jobbet med slike teknikker i et tiår nå, men så langt var de laveste temperaturene som kunne oppnås på denne måten begrenset av vibrasjonene i kjøleskapet,” sier Omid Sharifi Sedeh, som var involvert i eksperimentene som en Ph.D. student.

Disse vibrasjonene, som oppstår fra den kontinuerlige komprimeringen og sjeldneri av kjølemiddelet helium i en såkalt “tørr” kryostat, varmer opp brikken betydelig. For å unngå det utviklet forskerne en ny prøveholder som er kablet så sterkt at brikken kan kjøles ned til svært lave temperaturer til tross for vibrasjonene.

Robust termometer

For å måle disse temperaturene nøyaktig, forbedret Zumbühl og hans samarbeidspartnere et spesielt termometer som er integrert i kretsen. Termometeret består av kobberøyer som er forbundet med såkalte tunnelkryss. Elektroner kan bevege seg gjennom disse kryssene mer eller mindre lett avhengig av temperaturen.

Fysikerne fant en metode for å gjøre termometeret mer robust mot materialfeil og samtidig mer temperaturfølsomt. Dette tillot dem endelig å måle en temperatur på bare 220 milliondeler av en grad over absolutt null (220 mikro Kelvin).

I fremtiden ønsker Basel-forskerne å bruke metoden sin til å senke temperaturen med ytterligere en faktor ti og på sikt også kjøle halvledermaterialer. Det vil bane vei for studier av nye kvanteeffekter og forskjellige applikasjoner, for eksempel optimalisering av qubits i kvantedatamaskiner.

---

---