Nieuw 2D-apparaat voor kwantumkoeling zet warmte om in spanning bij extreem lage temperaturen

EPFL-ingenieurs hebben een apparaat ontwikkeld dat warmte efficiënt kan omzetten in elektrische spanning bij temperaturen die lager zijn dan die in de ruimte. De innovatie zou kunnen helpen een belangrijk obstakel te overwinnen voor de vooruitgang van quantumcomputertechnologieën, die extreem lage temperaturen nodig hebben om optimaal te functioneren.

Om kwantumberekeningen uit te voeren, moeten kwantumbits (qubits) worden afgekoeld tot temperaturen in het millikelvinbereik (dichtbij -273 graden Celsius), om atomaire beweging te vertragen en ruis te minimaliseren. De elektronica die wordt gebruikt om deze kwantumcircuits te beheren, genereert echter warmte, die moeilijk te verwijderen is bij zulke lage temperaturen.

De meeste huidige technologieën moeten daarom kwantumcircuits scheiden van hun elektronische componenten, wat ruis en inefficiëntie veroorzaakt die de realisatie van grotere kwantumsystemen buiten het laboratorium belemmeren.

Onderzoekers in EPFL’s Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES), onder leiding van Andras Kis, in de School of Engineering, hebben nu een apparaat gefabriceerd dat niet alleen werkt bij extreem lage temperaturen, maar dat ook doet met een efficiëntie die vergelijkbaar is met de huidige technologieën bij kamertemperatuur. De prestatie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

“Wij zijn de eersten die een apparaat hebben gemaakt dat qua conversie-efficiëntie overeenkomt met de huidige technologieën, maar dat werkt bij de lage magnetische velden en ultralage temperaturen die nodig zijn voor kwantumsystemen. Dit werk is echt een stap vooruit”, zegt LANES Ph.D.-student Gabriele Pasquale.

Het innovatieve apparaat combineert de uitstekende elektrische geleidbaarheid van grafeen met de halfgeleidereigenschappen van indiumselenide. Slechts een paar atomen dik, gedraagt ​​het zich als een tweedimensionaal object, en deze nieuwe combinatie van materialen en structuur levert zijn ongekende prestaties.

Het Nernst-effect benutten

Het apparaat maakt gebruik van het Nernst-effect: een complex thermo-elektrisch fenomeen dat een elektrische spanning genereert wanneer een magnetisch veld loodrecht op een object met een wisselende temperatuur wordt toegepast. De 2D-aard van het apparaat van het lab maakt het mogelijk om de efficiëntie van dit mechanisme elektrisch te regelen.

De 2D-structuur werd vervaardigd in het EPFL Center for MicroNanoTechnology en het LANES-lab. Experimenten omvatten het gebruik van een laser als warmtebron en een gespecialiseerde verdunningskoelkast om 100 millikelvin te bereiken, een temperatuur die zelfs kouder is dan de ruimte.

Het omzetten van warmte in spanning bij zulke lage temperaturen is normaal gesproken een enorme uitdaging, maar het nieuwe apparaat en de toepassing van het Nernst-effect maken dit mogelijk. Daarmee wordt een belangrijke lacune in de kwantumtechnologie opgevuld.

“Als je denkt aan een laptop in een koud kantoor, zal de laptop nog steeds opwarmen terwijl hij werkt, waardoor de temperatuur in de kamer ook stijgt. In quantumcomputersystemen is er momenteel geen mechanisme om te voorkomen dat deze warmte de qubits verstoort. Ons apparaat zou deze noodzakelijke koeling kunnen bieden,” zegt Pasquale.

Pasquale, die van opleiding natuurkundige is, benadrukt dat dit onderzoek belangrijk is omdat het licht werpt op thermokrachtconversie bij lage temperaturen, een tot nu toe onderbelicht fenomeen. Gezien de hoge conversie-efficiëntie en het gebruik van potentieel vervaardigbare elektronische componenten, gelooft het LANES-team ook dat hun apparaat al geïntegreerd zou kunnen worden in bestaande lagetemperatuur-kwantumcircuits.

“Deze bevindingen vertegenwoordigen een grote vooruitgang in nanotechnologie en zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van geavanceerde koeltechnologieën die essentieel zijn voor quantum computing bij millikelvintemperaturen”, zegt Pasquale. “Wij geloven dat deze prestatie een revolutie teweeg kan brengen in koelsystemen voor toekomstige technologieën.”