Am absoluten Nullpunkt Forscher stellen Kälterekord für Mikrochips auf

Nur etwa drei Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt: Forschern ist es gelungen, einen Mikrochip auf unter minus 273 Grad Celsius zu kühlen. Das soll unter anderem leistungsfähigere Computer ermöglichen.

Chip mit Coulomb-Blockade-Thermometer
Universität Basel/ Departement Physik

Chip mit Coulomb-Blockade-Thermometer


Es ist ein neuer Kälterekord bei elektronischen Bauteilen: Schweizer, deutsche und finnische Forscher haben einen Mikrochip auf eine Temperatur abgekühlt, die nur Bruchteile eines Grads über dem absoluten Nullpunkt liegt. Die Gruppe um Dominik Zumbühl von der Universität Basel erreichte dies mit einer zweifachen magnetischen Kühlung. Mit derart kalten Chips möchten sich die Physiker den Effekt der Quantenmechanik zunutzemachen und sie erforschen, schreiben sie im Fachmagazin "Applied Physics Letters".

Der absolute Nullpunkt, null Kelvin, liegt bei minus 273,15 Grad Celsius. Zumbühl und Kollegen kühlten einen Mikrochip auf 2,8 Millikelvin, also nur 2,8 Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, an dem jegliche Bewegung der Materie aufhört. Bei einer solchen Temperatur gehen fast alle Materialien zur Supraleitung über, sie verlieren jeglichen Widerstand gegenüber dem Fließen von elektrischem Strom.

Diese und andere Effekte, die bei einer so extremen Temperatur auftreten, sollen zu leistungsfähigeren Computerchips führen. Auch möchten Physiker Quantenexperimente machen und neue physikalische Phänomene untersuchen.

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Kühlung auf unter drei Millikelvin

Um die extrem tiefen Temperaturen zu erreichen, verwendet die Forschergruppe das Prinzip der magnetischen Kühlung: Wird ein Gegenstand einem Magnetfeld ausgesetzt, erwärmt er sich leicht. Umkehrt kühlt er sich ab, wenn das Magnetfeld entfernt wird. Damit diese Kühlung wirksam werden kann, muss der Chip extrem gut gegen Wärmeeinfall von außen isoliert sein, und die durch das Magnetfeld zugeführte Wärme muss abgeführt werden. Das erreichten die Forscher indem sie alle Leitungen zum Chip auf 0,15 Millikelvin herunterkühlten, und zwar ebenfalls mit Hilfe magnetischer Kühlung.

"Wir können durch diese Kombination der Kühlsysteme unseren Chip auf unter drei Millikelvin kühlen und sind optimistisch, damit auch die magische Grenze von einem Millikelvin zu erreichen", sagt Zumbühl. Denn die Forscher errechneten, dass die Effizienz ihres Kühlsystems bisher nur bei 35 Prozent liegt. Und sie zeigen in ihrer Studie mögliche Wege auf, um die Effizienz zu erhöhen.

Gemessen wurde die Rekordtemperatur übrigens mit einem Coulomb-Blockadethermometer direkt auf dem Chip. Das musste so gebaut werden, dass es sich ebenfalls durch das Zurücknehmen eines Magnetfeldes kühlen lässt. Erreicht haben die Forscher dies, indem sie die für dieses Thermometer typischen Metallinseln zu langen Graten oder Lamellen ausformten. Die tiefe Temperatur können die Physiker über sechs Stunden aufrechterhalten, was ihnen genügend Zeit für Experimente lässt.

Quantencomputer arbeiten mit supraleitenden Metallen, die unter einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen. Derzeit arbeiten Konzerne wie Google oder IBM an der Umsetzung solcher Megarechner. Sie profitieren von einem Phänomen namens Superposition: Während normale Chips eigentlich aus Transistoren bestehen, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind (1 oder 0), kann ein Quantenprozessor beide Zustände gleichzeitig abbilden. Dadurch würde er eines Tages bedeutend mehr Rechenleistung entwickeln und könnte auch komplexere Prozesse berechnen, hoffen Forscher.

joe/dpa



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