VTT Technical Research Centre of Finland Neuartige Kühltechnik ermöglicht kleinere Quantencomputer

Wissenschaftler an der TU München haben den Beweis erbracht, dass Quantencomputer überlegen sind.

Heutige Quantencomputer erfordern eine extrem komplexe und große kältetechnische Infrastruktur, um sie bis knapp an den absoluten thermischen Nullpunkt zu kühlen. Forscher des VTT haben eine elektronische Kühltechnik demonstriert, die dies deutlich vereinfachen könnte.

Zahlreiche empfindliche elektronische und optische Systeme müssen bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Ein aktuelles Beispiel sind Quantencomputer, die aus supraleitenden Schaltkreisen aufgebaut sind. Diese müssen  bis nahe an den absoluten Nullpunkt der thermodynamischen Temperatur (–273,15 °C) gekühlt werden.

Heutzutage nutzt man dafür sogenannte Verdünnungskühler. Das sind mehrstufige Kühlanlagen, bei denen kryogene Flüssigkeiten umgepumpt werden. Besonders komplex ist insbesondere die kälteste Stufe, die ein Gemisch aus verschiedenen Helium-Isotopen benötigt. Obwohl kommerziell verfügbar, sind solche Verdünnungskühler teure und große Anlagen.

Das Forscherteam am VTT Technical Research Centre of Finland suchte nach einer effizienten und praktischen Methode, um Wärme durch elektrischen Strom von einem Ort zum anderen zu transportieren. Die effizienteste Lösung wäre ein Festkörperübergang, bei dem die heißesten Elektronen über eine Potentialbarriere von geringer atomarer Größe klettern.

Die Herausforderung bei diesem Ansatz besteht darin, dass nicht nur die Elektronen, sondern auch die Quanten der Schwingungen des Atomgitters, die sogenannten Phononen, einen beträchtlichen Teil der Wärme mit sich führen. Die Phononen bewegen sich zwischen der heißen und der kalten Ebene und gleichen die Temperaturunterschiede leider sehr effektiv aus, insbesondere über kurze Distanzen.

Es schien, dass die effizienteste elektronische Kühlmethode immer zum ungünstigsten Wärmeleck der Phononen führte und damit zu einem Nullsummenspiel in Bezug auf die Kühlung. Das Forscherteam am VTT vermutete jedoch, dass es eine einfache Lösung für dieses scheinbar grundlegende Problem geben könnte: Bestimmte Materialübergänge sollten die Ausbreitung der Phononen blockieren, während heiße Elektronen diese passieren.

Wärme durch Strom abtransportieren

Diesen Effekt demonstrierte das Team, indem es ein Stück Silizium an den Verbindungspunkten von Halbleiter und Supraleiter aufhängte und einen elektrischen Strom durch diese Verbindungsstellen schickte. Dieser Strom senkte die thermodynamische Temperatur des Siliziumkörpers um bis zu 40 Prozent gegenüber der der Umgebung.

In diesen Verbindungspunkten bilden die verbotenen elektronischen Zustände im Supraleiter eine Barriere, über die einerseits zwar die Elektronen aus dem Halbleiter klettern können, um die Wärme abzugeben. Andererseits streut oder blockiert dieser Übergang gleichzeitig die Phononen so effektiv, dass der elektrische Strom über diesen Übergang zu einer erheblichen Temperaturdifferenz führen kann.

»Wir rechnen damit, dass diese neu entdeckte elektronische Kühlmethode in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden könnte. Das Spektrum reicht von der Miniaturisierung von Quantencomputern bis hin zu hochempfindlichen Strahlungssensoren im Sicherheitsbereich«, mein Professor Mika Prunnila, leitender Forscher am VTT.

Originalpublikation

E. Mykkänen, et al., Thermionic junction devices utilizing phonon blocking, Science Advances  10 Apr 2020, Vol. 6, no. 15, eaax9191, DOI: 10.1126/sciadv.aax9191