El enfriamiento de materiales a temperaturas extremadamente bajas es importante para la investigación física básica, así como para aplicaciones tecnológicas. Al mejorar un refrigerador especial y un termómetro de baja temperatura, los científicos de Basilea lograron enfriar un circuito eléctrico en un chip hasta 220 microkelvin, cerca del cero absoluto.

Cuando los materiales se enfrían a temperaturas extremadamente bajas, su comportamiento a menudo difiere mucho del que tienen a temperatura ambiente. Un ejemplo bien conocido es la superconductividad : por debajo de una temperatura crítica, algunos metales y otras sustancias conducen la corriente eléctrica sin pérdidas. A temperaturas aún más bajas, pueden ocurrir efectos físicos cuánticos adicionales, que son relevantes para la investigación básica, así como para aplicaciones en tecnologías cuánticas.

Sin embargo, alcanzar tales temperaturas, menos de una milésima de grado por encima del cero absoluto de 0 Kelvin, o -273,15 grados Celsius, es extremadamente difícil. Los físicos del grupo de investigación del Prof. Dr. Dominik Zumbühl en la Universidad de Basilea, junto con colegas del Centro de Investigación Técnica VTT en Finlandia y en la Universidad de Lancaster en Inglaterra, ahora han establecido un nuevo récord de baja temperatura. Sus resultados acaban de publicarse en la revista científica Physical Review Research.

Refrigeración con campos magnéticos

«Enfriar un material con mucha fuerza no es el único problema», explica Christian Scheller, científico sénior del laboratorio de Zumbühl : «También hay que medir de forma fiable esas temperaturas extremadamente bajas». En sus experimentos, los investigadores enfriaron un pequeño circuito eléctrico hecho de cobre en un chip de silicio exponiéndolo primero a un fuerte campo magnético, luego enfriándolo con un refrigerador especial conocido como criostato y finalmente reduciendo lentamente el campo magnético. De esta manera, los espines nucleares de los átomos de cobre en el chip se alinearon inicialmente como pequeños imanes y se enfriaron aún más cuando, al final, la disminución gradual del campo magnético condujo a una disminución de su energía magnética.

«Hemos estado trabajando con este tipo de técnicas durante una década, pero hasta ahora las temperaturas más bajas que se podían alcanzar de esta manera estaban limitadas por las vibraciones del refrigerador», dice Omid Sharifi Sedeh, quien participó en los experimentos como investigador. Estudiante de doctorado. Esas vibraciones, que surgen de la compresión y rarefacción continuas del agente refrigerante helio en un criostato llamado «seco», calientan significativamente el chip. Para evitar eso, los investigadores desarrollaron un nuevo portamuestras que está cableado con tanta fuerza que el chip puede enfriarse a temperaturas muy bajas a pesar de las vibraciones.

Termómetro robusto

Para medir con precisión esas temperaturas, Zumbühl y sus colaboradores mejoraron un termómetro especial que está integrado en el circuito. El termómetro consta de islas de cobre que están conectadas por las llamadas uniones de túnel. Los electrones pueden moverse a través de esas uniones con mayor o menor facilidad dependiendo de la temperatura. Los físicos encontraron un método para hacer que el termómetro fuera más resistente a los defectos del material y, al mismo tiempo, más sensible a la temperatura. Esto les permitió, finalmente, medir una temperatura de apenas 220 millonésimas de grado por encima del cero absoluto (220 microkelvin).

En el futuro, los investigadores de Basilea quieren usar su método para reducir la temperatura en otro factor de diez y, a la larga, también enfriar los materiales semiconductores. Eso allanará el camino hacia estudios de nuevos efectos cuánticos y diversas aplicaciones, como la optimización de qubits en computadoras cuánticas.