Inginerii de la EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) au creat un dispozitiv 2D pentru răcirea cuantică, ce poate converti eficient căldura în tensiune electrică la temperaturi mai scăzute decât cele din spațiul cosmic. Această descoperire ar putea ajuta la dezvoltarea tehnologiilor de calcul cuantic, care necesită temperaturi extrem de scăzute pentru a funcționa optim.
Pentru a efectua calcule cuantice, qubiții trebuie răciți la temperaturi în gama millikelvin (aproape de -273 grade Celsius) pentru a încetini mișcarea atomică și a minimiza zgomotul. Cu toate acestea, electronica utilizată pentru gestionarea acestor circuite cuantice generează căldură, dificil de eliminat la astfel de temperaturi scăzute.
Tehnologiile actuale trebuie, prin urmare, să separe circuitele cuantice de componentele electronice, ceea ce cauzează zgomot și ineficiențe care împiedică realizarea sistemelor cuantice de mari dimensiuni în afara laboratorului.
Explicat mai simplu, pentru a face calcule cu computerele cuantice, qubiții trebuie să fie extrem de reci pentru a funcționa corect, dar electronicele care îi controlează se încălzesc, ceea ce face dificilă eliminarea căldurii și reduce eficiența sistemelor cuantice mari.
Inovația EPFL, un dispozitiv 2D pentru răcirea cuantică
Cercetătorii din cadrul Laboratorului de Nanoelectronică și Structuri (LANES) al EPFL, conduși de Andras Kis, au fabricat un dispozitiv care nu doar că funcționează la temperaturi extrem de scăzute, dar funcționează la fel de bine cum o fac alte dispozitive la temperatura normală dintr-o cameră.
„Suntem primii care au creat un dispozitiv care se potrivește eficienței de conversie a tehnologiilor actuale, dar care funcționează la câmpuri magnetice scăzute și temperaturi ultra-scăzute necesare pentru sistemele cuantice. Această realizare este cu adevărat un pas înainte”, spune Gabriele Pasquale, doctorand LANES.
Dispozitivul 2D pentru răcirea cuantică îmbină conductivitatea electrică a grafenului cu proprietățile semiconductoare ale seleniurii de indiu (InSe). Având doar câțiva atomi grosime, se comportă ca un obiect bidimensional, iar această combinație nouă de materiale și structură îi conferă performanțe fără precedent. Realizarea a fost publicată în revista Nature Nanotechnology.
Exploatarea efectului Nernst
Dispozitivul valorifică efectul Nernst: un fenomen termoelectric complex, care generează o tensiune electrică atunci când un câmp magnetic este aplicat perpendicular pe un obiect cu o temperatură variabilă.
Dispozitivul utilizează o structură bidimensională în care straturile de grafen și seleniură de indiu sunt aranjate alternativ, creând o heterostructură. Această configurație permite manipularea electrică a eficienței efectului Nernst, ceea ce face posibilă conversia eficientă a căldurii în tensiune electrică, la temperaturi foarte scăzute.
Structura 2D a fost fabricată la Centrul EPFL pentru MicroNanoTehnologie și în laboratorul LANES. Experimentele au implicat utilizarea unui laser ca sursă de căldură și a unui ”frigider specializat de diluție” pentru a ajunge la 100 millikelvin – o temperatură chiar mai scăzută decât cea din spațiul cosmic. Conversia căldurii în tensiune la astfel de temperaturi scăzute este, de obicei, extrem de dificilă, dar dispozitivul și valorificarea efectului Nernst fac acest lucru posibil.
Eficiența conversiei termoelectrice poate fi controlată electric, oferind posibilitatea ajustării performanței dispozitivului în funcție de necesități. Practic, prin aplicarea unui semnal electric, se poate ajusta cât de eficient este dispozitivul la realizarea acestei conversii, în funcție de nevoile specifice ale utilizatorului sau aplicației.
„Această descoperire reprezintă un avans major în nanotehnologie și promite dezvoltarea unor tehnologii de răcire avansate esențiale pentru calculul cuantic la temperaturi millikelvin”, spune Pasquale. „Credem că această realizare ar putea revoluționa sistemele de răcire pentru tehnologiile viitoare”.
Descoperirea inginerilor de la EPFL ar putea schimba modul în care sunt gestionate temperaturile ultra-scăzute necesare pentru calculul cuantic, deschizând calea pentru sisteme cuantice mai eficiente și mai mari. Această inovație promite să fie un pilon esențial pentru viitoarele tehnologii cuantice.
