Ennätysmatala lämpötila saavutettu nanoelektroniikassa
Nanoelektronisen laitteen elektronien lämpötilan laskeminen muutaman asteen tuhannesosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä on nyt osoitettu ensi kertaa maailmassa. Suomalais-brittiläinen tutkimusryhmä Teknologian tutkimuskeskus VTT:stä, Lancasterin yliopistosta ja Aivon Oy:stä onnistui yhteisprojektissaan jäähdyttämään piisirulle rakennetun piirin elektronit kylmemmiksi kuin kukaan aiemmin.
Kappaleiden jäähdyttäminen jopa alle yhden millikelvinin lämpötiloihin on ollut mahdollista jo pitkään. Matalan lämpötilan siirtäminen mikro- ja nanoelektroniikan komponenttien sähkövirtaa kuljettaviin elektroneihin on kuitenkin osoittautunut erittäin vaikeaksi, koska elektronien 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.
Arvostettu Nature Communications -tiedelehti on julkaissut tutkimustulokset 27.1.2016.
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 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 omalla alallaan merkittäviä saavutuksia tehneen organisaation yhteistyö: VTT nanoteknologian ja huippuherkkien antureiden kehittäjänä, Aivon Oy vähäkohinaisen elektroniikan valmistajana sekä Lancasterin yliopisto äärimmäisen matalien lämpötilojen jäähdytystekniikoiden kehittäjänä ja komponenttien karakterisoijana.
VTT tutkii yhdessä BlueFors Cryogenics -yrityksen kanssa tutkimuksessa esitellyn sähköisen primäärilämpömittarin kaupallistamismahdollisuuksia.
Artikkeli: Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS10455
KUVATEKSTI: Havainnekuva yksittäisen elektronin tunneloitumisesta oksidista muodostetun tunnelivallin läpi primäärilämpömittarissa. Absoluuttinen lämpötila määritetään mittaamalla tunnelointivirta.
Lisätietoja:
Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy
Mika Prunnila, tiimipäällikkö
puh. 040 537 8910, mika.prunnila@vtt.fi
Lancaster University
Richard P Haley, Head of Ultra Low Temperature Physics
Puh. +44 (0)1524 593224, r.haley@lancaster.ac.uk
Lisätietoja VTT:stä:
Olli Ernvall
Viestintäjohtaja
puh. 040 840 0288
olli.ernvall@vtt.fi
www.vtt.fi
Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy on Pohjoismaiden johtava tutkimus- ja teknologiayhtiö. Tuotamme tutkimuksen ja tiedon kautta asiantuntijapalveluja kotimaisille ja kansainvälisille asiakkaillemme ja kumppaneillemme, liike-elämälle ja julkiselle sektorille. Käytämme 4 miljoonaa tuntia vuodessa aivovoimaa teknologisten edistysaskelien kehittämiseen. VTT:n löydät sosiaalisen median kanavilta: Facebook, LinkedIn ja Twitter @VTTFinland.
Avainsanat:
