Nanoelectrónica a 500 microkelvin

Los dispositivos cuánticos solo funcionan bien a temperaturas criogénicas; cuando el espaciado de los niveles de energía de los electrones es mayor que su energía térmica. La mayoría de los refrigeradores actuales trabajan en la escala de los milikelvin. Se publica en arXiv un nuevo refrigerador que enfría un nanodispositivo a una temperatura de 421 ± 35 µK (microkelvin). Se basa en el enfriado magnético nuclear gracias al fuerte acoplamiento electrón-núcleo en el indio. Se han alcanzado 85 horas de funcionamiento continuo por debajo de 700 µK.

Sin lugar a dudas un gran avance en el campo de los ordenadores cuánticos que usan cúbits superconductores. El artículo es Matthew Sarsby, Nikolai Yurttagül, Attila Geresdi, “500 microkelvin nanoelectronics,” arXiv:1903.01388 [cond-mat.mes-hall].

Los sistemas de enfriamiento convencionales para dispositivos nanoelectrónicos se basan en el acoplamiento fonón-fonón y electrón-fonón entre el refrigerador y los electrones en el dispositivo. Con esta tecnología se alcanzan fácilmente temperaturas en el refrigerador de unos 5 mK (el récord es de 1.8 mK); pero la temperatura de los electrones es mayor que la del refrigerador (el récord para los electrones es de 3.9 mK). Así, se requieren nuevas tecnologías de refrigeración.

Mediante técnicas magnéticas (basadas en el espín nuclear) se han alcanzado temperaturas del refrigerador de hasta unos 100 pK (picokelvin), aunque lo habitual es superar los 50 nK (nanokelvin). La nueva idea es acoplar estos refrigeradores nucleares a los electrones del dispositivo aprovechando la interacción electrón-núcleo. Por supuesto, la idea no está exenta de problemas técnicos, cuya solución requiere buenas dosis de ingenio. La figura que abre esta entrada ilustra a su izquierda el paso de 300 K → 4.2 K → 1.5 K → 500 mK → 50 mK → 5 mK → 500 µK. La clave del último paso de enfriado es el uso de solenoides superconductores que alcanzan un campo magnético de 13 T (teslas).

En el nuevo artículo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda), en concreto del QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, propone usar la desmagnetización nuclear en aletas de indio y cobre acopladas al nanodispositivo. El proceso permite alcanzar una temperatura de los electrones por debajo de 500 µK, que crece lentamente (manteniendo frío el nanodispositivo); como muestra esta figura, durante unas 85 horas la temperatura de los electrones permanece por debajo de 700 µK. Un punto clave es la reducción de las pérdidas de calor gracias a que la desmagnetización ocurre de forma adiabática.

En resumen, un avance relevante para la reducción de la temperatura de los cúbits superconductores por debajo de un milikelvin. Permitirá incrementar la duración de su coherencia cuántica; con ella crecerá el número de puertas lógicas cuánticas que se puedan implementar en los algoritmos cuánticos con niveles de ruido aceptables. Habrá que estar al tanto de los progresos de esta tecnología.



2 Comentarios

  1. Quizás me equivoque, pero a mí esto me parece revolucionario. Mantener horas y horas operativo un dispositivo que mejora los existentes en 1 orden de magnitud es espectacular.

    Abundando en lo que se dice en el artículo, esto va a dar alas al desarrollo de tecnologías cuánticas, en especial los ordenadores. Se diría que vamos a tener ordenadores cuánticos prácticos en muy poco tiempo.

    Saludos y gracias por el artículo, Francis.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 marzo, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
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