Crédit :Centre de recherche technique VTT de Finlande
Les chercheurs de VTT ont démontré avec succès une nouvelle technologie de réfrigération électronique qui pourrait permettre des avancées majeures dans le développement des ordinateurs quantiques. Les ordinateurs quantiques actuels nécessitent une infrastructure de refroidissement extrêmement complexe et importante, basée sur un mélange d'isotopes d'hélium. La nouvelle technologie de refroidissement électronique pourrait remplacer ces mélanges liquides cryogéniques et permettre la miniaturisation des ordinateurs quantiques.
Dans cette méthode de réfrigération purement électrique, le refroidissement et l'isolation thermique fonctionnent efficacement à travers le même point comme la jonction. Dans l'expérience, les chercheurs ont suspendu un morceau de silicium à de telles jonctions et ont réfrigéré l'objet en faisant passer le courant électrique d'une jonction à l'autre à travers la pièce. Le courant a abaissé la température thermodynamique de l'objet en silicium jusqu'à 40 % par rapport à celle de l'environnement. Cela pourrait conduire à la miniaturisation des futurs ordinateurs quantiques, car il peut simplifier considérablement l'infrastructure de refroidissement requise. La découverte a été publiée dans Avancées scientifiques .
« Nous nous attendons à ce que cette méthode de refroidissement électronique récemment découverte puisse être utilisée dans plusieurs applications allant de la miniaturisation des ordinateurs quantiques aux capteurs de rayonnement ultra-sensibles du domaine de la sécurité, ", déclare le professeur de recherche Mika Prunnila du Centre de recherche technique VTT de Finlande.
De nouvelles opportunités pour la science et les affaires
Plusieurs dispositifs électroniques et optiques sensibles nécessitent un fonctionnement à basse température. Un exemple opportun est un ordinateur quantique construit à partir de circuits supraconducteurs, qui nécessitent une réfrigération proche du zéro absolu de température thermodynamique (-273,15 degrés C).
Aujourd'hui, les ordinateurs quantiques supraconducteurs sont refroidis par des réfrigérateurs dits à dilution, qui sont des refroidisseurs à plusieurs étages basés sur le pompage de liquides cryogéniques. La complexité de ce réfrigérateur découle de l'étape la plus froide, dont le fonctionnement est basé sur le pompage d'un mélange de différents isotopes de l'hélium. Même si les réfrigérateurs à dilution modernes sont une technologie commerciale, ils sont encore gros, instruments scientifiques coûteux. La technologie de refroidissement électronique développée par les chercheurs du VTT pourrait remplacer les pièces les plus froides complexes et conduire à des réductions significatives de la complexité, coût et taille.
« L'effet de refroidissement démontré peut être utilisé pour refroidir activement les circuits quantiques sur une puce de silicium ou dans des réfrigérateurs à grande échelle. Inutile de dire que chez Bluefors, nous suivons avec grand intérêt ce nouveau développement de réfrigérateurs électriques, " dit David Gunnarsson, directeur des ventes chez Bluefors Oy, la société leader des solutions de réfrigérateurs pour les systèmes quantiques et les ordinateurs.
Crédit :Centre de recherche technique VTT de Finlande
Solution simple à un problème de physique apparemment fondamental
L'équipe de recherche recherchait une méthode efficace et pratique pour transporter la chaleur d'un endroit à un autre via le courant électrique. La solution la plus efficace serait fournie par une jonction solide, où les électrons les plus chauds franchissent une courte barrière de potentiel à l'échelle atomique. Le défi avec cette approche est que la chaleur n'est pas seulement transportée par les électrons, mais aussi par les quanta des vibrations du réseau atomique - ce qu'on appelle les phonons - transportent également une quantité importante de chaleur. Les phonons circulant entre le chaud et le froid nivellent très efficacement les écarts de température, surtout sur une courte distance.
Il semblait que la méthode de refroidissement électronique la plus efficace conduisait toujours à la pire fuite de chaleur de phonons possible, et ainsi, un résultat nul en termes de refroidissement global. L'équipe de recherche VTT a postulé qu'une solution simple à ce problème apparemment fondamental pourrait exister :certaines jonctions matérielles pourraient bloquer la propagation des phonons pendant que les électrons chauds les traversent.
L'équipe a démontré l'effet en utilisant des jonctions semi-conducteur-supraconducteur pour réfrigérer une puce de silicium. Dans ces carrefours, les états électroniques interdits dans le supraconducteur forment une barrière sur laquelle les électrons du semi-conducteur doivent grimper pour chasser la chaleur. À la fois, la jonction elle-même disperse ou bloque les phonons si efficacement que le courant électronique peut introduire une différence de température significative sur la jonction.
"Nous pensons que cet effet de refroidissement peut être observé dans de nombreux contextes, par exemple, dans les jonctions moléculaires, " explique la chercheuse Emma Mykkänen du VTT.
