Новая электронная технология охлаждения для квантовых компьютеров

Исследователи VTT успешно продемонстрировали новую технологию электронного охлаждения, которая может позволить сделать большой скачок в развитии квантовых компьютеров.

Современные квантовые компьютеры требуют чрезвычайно сложной и большой охлаждающей инфраструктуры, основанной на смеси изотопов гелия. Новая технология электронного охлаждения могла бы заменить эти криогенные жидкие смеси и обеспечить миниатюризацию квантовых компьютеров.

В этом чисто электрическом методе, охлаждение и тепловая изоляция эффективно работают через одну и ту же точку, такую как соединение. В ходе эксперимента исследователи подвешивали кремниевый объект к таким материальным соединениям и охлаждали, подавая электрический ток от одного соединения к другому через него.

Ток понижал термодинамическую температуру кремниевого объекта на целых 40% от температуры окружающей среды. Это может привести к миниатюризации будущих квантовых компьютеров, поскольку может значительно упростить необходимую инфраструктуру охлаждения. Открытие было опубликовано в журнале Science Advances.

“Мы ожидаем, что этот недавно открытый метод электронного охлаждения может быть использован в нескольких областях применения – от миниатюризации квантовых компьютеров до сверхчувствительных датчиков излучения в области безопасности”, – говорит профессор Мика Пруннила из Центра технических исследований VTT в Финляндии.

Исследовательская группа искала эффективный и практичный метод передачи тепла из одного места в другое с помощью электрического тока. Наиболее эффективное решение было бы обеспечено твердым переходом, где самые горячие электроны поднимаются над коротким атомным потенциальным барьером.

Сложность такого подхода заключается в том, что тепло переносится не только электронами, но и квантами колебаний атомной решетки – так называемыми фононами, которые также переносят значительное количество тепла. Фононы, перемещающиеся между горячим и холодным, очень эффективно выравнивают перепады температур, особенно на небольшом расстоянии.

Казалось, что самый эффективный метод электронного охлаждения всегда приводил к наихудшей возможной утечке фононного тепла и, следовательно, к нулевому результату с точки зрения общего охлаждения.

Исследовательская группа VTT постулировала, что может существовать простое решение этой, казалось бы, фундаментальной проблемы: определенные материальные соединения могут блокировать распространение фононов, в то время как горячие электроны проходят через них.

Ученые продемонстрировали этот эффект, используя переходы полупроводник-сверхпроводник для охлаждения кремниевого чипа. В этих соединениях запрещенные электронные состояния в сверхпроводнике образуют барьер, по которому электроны из полупроводника должны подниматься, чтобы отвести тепло. В то же время сам переход так эффективно рассеивает или блокирует фононы, что электронный ток может вносить значительную разницу температур в переходе.

“Мы считаем, что этот охлаждающий эффект может наблюдаться во многих условиях, например, в молекулярных соединениях”, – говорят ученые.


Emma Mykkänen et al. Thermionic junction devices utilizing phonon blocking, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aax9191

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

0 0 голос
Рейтинг
Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Share via
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: