世界上最冷的芯片诞生！

2017 年 12 月 21 日 IntelligentThings John

导读

瑞士巴塞尔大学的物理学家们成功地将一种纳米电子芯片冷却至3毫开尔文以下。瑞士、德国、芬兰三国科学家合作创造了这项纪录。他们使用“磁冷却”的方法冷却电气连接和芯片本身。

背景

时下，隆冬已至，温度降至零下几摄氏度，就已经让我们冻得瑟瑟发抖。

然而，这一切比起最寒冷的温度：绝对零度，还差很远。绝对零度，是热力学的最低温度，但只是理论上的下限值。热力学温标的单位是开尔文（K），绝对零度就是开尔文温度标（简称开氏温度标，记为K）定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15摄氏度，即0开尔文或者-273.15°C。

接近绝对零度时，会发生许多奇特的物理现象，其中最著名的就是：超导现象。1911年，荷兰科学家发现，将汞冷却至 -268.98℃（4.2K）时，汞的电阻几乎突然消失了。此时，汞实际上就成为了超导体。

（图片来源：维基百科）

科学家们争相创造最低温度的纪录，全世界大量的研究小组使用高科技冷冻机，使温度尽可能地接近绝对零度。之所以物理学家们尽可能地将他们的装置冷却至接近绝对零度，是因为这种极端低温为量子设备提供了一种理想条件，用于检验全新的物理现象。

创新

最近，瑞士巴塞尔大学的物理学家们成功地将一种纳米电子芯片冷却至3毫开尔文以下。瑞士纳米科学研究所物理系的科学家们，与德国和芬兰的大学合作，创造了这项纪录。他们使用“磁冷却”的方法冷却电气连接以及芯片本身。研究成果发表于《 Applied Physics Letters》期刊。

（图片来源：巴塞尔大学物理系）

技术

巴塞尔大学物理系教授 Dominik Zumbühl 领导的科研小组之前表示，在纳米电子领域，利用“磁冷却”原理可以冷却纳米电子设备，使其前所未有地接近绝对零度。磁冷却基于这样一个事实：当施加的磁场逐渐下降且避免任何的外界热流时，系统可以逐渐冷却下来。在系统温度下降之前，磁化的热量需要通过其他方法去除，从而保证有效的磁冷却。

（图片来源：参考资料【2】）

这正是Zumbühl 的团队所用的方法，他们将纳米电子芯片的温度冷却至2.8毫开尔文以下，创造了新的低温纪录。论文领导作者Mario Palma 博士和他的同事 Christian Scheller 成功地结合了这两种基于磁冷却的冷却系统。他们将芯片的所有电气连接冷却至150微开尔文，而这个温度距离绝对零度不足千分之一摄氏度。

然后，他们将第二个冷却系统直接集成到芯片本身中，并在它上面安放了一个库仑阻塞温度计。这种构造和材料成分，让他们能够通过磁场将这个温度计的温度冷却至接近于绝对零度。

价值

Zumbühl 表示，这两种冷却系统的结合让他们可以将芯片的温度冷却至3毫开尔文以下，而且他们对于使用同样的方法达到神奇的1毫开尔文的极限，感到乐观。

另外一点也非常引人注目，科学家们可以将这些极低的温度保持超过7小时。这为开展各种实验，理解接近绝对零度时的物理特性，提供了足够的时间。

关键字

绝对零度、芯片

参考资料

【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/The-coldest-chip-in-the-world.html

【2】M. Palma, C. P. Scheller, D. Maradan, A. V. Feshchenko, M. Meschke, D. M. Zumbühl. On-and-off chip cooling of a Coulomb blockade thermometer down to 2.8 mK. Applied Physics Letters, 2017; 111 (25): 253105 DOI: 10.1063/1.5002565