VTT:n tutkijat ovat kehittäneet täysin uudenlaisen sähkövirtaan perustuvan jäähdytysteknologian, joka voi tulevaisuudessa mahdollistaa harppaukset mm. kvanttitietokoneiden kehittämisessä. Nykyiset kvanttitietokoneiden prototyypit vaativat toimiakseen erittäin matalia lämpötiloja, jotka voidaan tällä hetkellä saavuttaa ainoastaan monimutkaisilla ja suurikokoisilla jäähdytysjärjestelmillä. Uusi sähköinen menetelmä voi korvata nämä heliumin isotooppien seosten pumppaukseen perustuvat ratkaisut ja siten mahdollistaa kvanttitietokoneiden koon merkittävän pienenemisen.   

VTT:n tutkimusryhmä on ensimmäisenä maailmassa kehittänyt puhtaasti sähköisen jäähdytysmenetelmän, jossa jäähdytys ja lämpöeristys toimivat tehokkaasti samassa pistemäisessä liitoksessa. Ryhmän uraauurtavassa kokeessa jäähdytettävä kappale ripustettiin useista tällaisista liitoksista ja jäähdytys saatiin aikaan syöttämällä sähkövirtaa liitoksesta toiseen kappaleen läpi. Sähkövirralla pystyttiin laskemaan kappaleen termodynaamista lämpötilaa jopa 40 % ympäristön lämpötilasta. Tutkimustyö on julkaistu Science Advances -tiedejulkaisussa 10. huhtikuuta 2020.

“Uskomme, että tätä uutta puhtaasti sähköistä jäähdytysmenetelmää voidaan hyödyntää lukuisissa sovelluksissa kuten kvanttitietokoneiden miniatyrisoinnissa ja turvallisuussovelluksissa käytettävissä äärimmäisen herkissä säteilyn ilmaisimissa,” sanoo VTT:n tutkimusprofessori Mika Prunnila.  

Uusia mahdollisuuksia tieteelle ja liiketoiminnalle

Monet elektroniikan ja fotoniikan komponentit toimivat ainoastaan erittäin matalissa lämpötiloissa. Yksi ajankohtainen esimerkki on suprajohtavista piireistä rakennettu kvanttitietokone, joka tulee jäähdyttää lähelle termodynaamista absoluuttista nollapistettä (-273.15 ^oC). 

Nykyään jäähdytykseen käytetään niin kutsuttua laimennusjäähdytintä, joka on moniasteinen kryogeenisten nesteiden pumppaamiseen perustuva laite. Jäähdyttimen tekee erityisen monimutkaiseksi sen kylmin aste, jossa pumpataan heliumin isotooppien seosta. Vaikka laimennusjäähdyttimet ovat jo kaupallista teknologiaa, ne ovat yhä kalliita ja suurikokoisia tieteellisiä laitteita. VTT:n tutkijoiden kehittämä teknologia voisi korvata tuon monimutkaisen kylmimmän osan ja näin ollen tehdä jäähdytysjärjestelmästä yksinkertaisemman ja pienentää sen kokoa ja hintaa merkittävästi.

Uusi menetelmä kiinnostaa myös yritysmaailmassa.

”Uutta menetelmää voidaan käyttää kvanttipiirien aktiiviseen jäähdytykseen suoraan piisirulla tai suuren mittakaavan jäähdyttimissä. On sanomattakin selvää, että Bluefors seuraa suurella mielenkiinnolla uuden sähköisen jäähdyttimen kehitystyötä,” toteaa Bluefors Oy:n CSO David Gunnarsson. Bluefors on maailman johtava kvanttiteknologian jäähdytinratkaisujen tuottaja. 

Suoraviivainen ratkaisu perustavanlaatuiselta näyttävään fysiikan ongelmaan

EU-projektina toteutettavassa EFINED-hankkeessa VTT:n tutkijat etsivät tehokasta ja käytännöllistä menetelmää siirtää lämpöä sähkövirran kuljettamien vapaiden elektronien avulla. Kaikkein tehokkain ratkaisu saadaan käyttämällä liitosta, jossa kuumat elektronit joutuvat kiipeämään erittäin lyhyen, lähes atomien kokoluokassa vaikuttavan, potentiaalivallin yli. Tämän lähestymistavan haasteena on, että lämpöä eivät kuljeta ainoastaan elektronit, vaan suuren osan lämmöstä kuljettaa hilavärähtelyn kvantit eli fononit. Kylmän ja kuuman välillä liikkuvat fononit tasaavat lämpötilaerot erittäin tehokkaasti erityisesti silloin, kun niiden tarvitsee vaeltaa vain lyhyt matka.Näytti siis, että menetelmä, joka tuottaisi tehokkaimman jäähdytyksen sähköisesti elektronien kautta, johtaisi suurimpaan lämpövuotoon fononien kautta ja siten nollatulokseen. VTT:n tutkijat esittivät, että tähän perustanvanlaatuiselta vaikuttavaan ongelmaan voisi olla varsin suoraviivainen ratkaisu: jotkut eri materiaalien liitokset voisivat itseasiassa estää fononien virtaamisen puolelta toiselle siten, että samalla kuumat elektronit pääsisivät läpi kohtuullisen vaivattomasti. 

Tutkijat todensivat ilmiön jäähdyttämällä piisirun suprajohde-puolijohde -liitoksilla. Tällaisessa liitoksessa suprajohteen kielletyt energiatilat muodostavat elektroneille jäähdytykseen vaaditun esteen, jotta lämpöä voidaan siirtää pois puolijohteesta, tässä tapauksessa piistä. Samanaikaisesti liitos sirottaa fononeja, eli haittaa niiden liikettä liitoksen läpi niin tehokkaasti, että sähkövirralla saadaan aikaan merkittävä lämpötilaero liitoksen yli. ”Näemme, että kyse on ilmiömaailmasta, joka voidaan havaita lukuisissa koejärjestelyissä kuten esimerkiksi yksittäisiin molekyyleihin pohjautuvissa liitoksissa,” toteaa VTT:n tutkija Emma Mykkänen.     Löydöksen tehneessä projektitiimissä yhdistyy osaamista mm. fysiikan, kryogeniikan, mikroelektroniikan ja mittaustekniikan osa-alueilta. Saavutettu tulos on erinomainen esimerkki monitieteellisestä ja -teknologisesta tutkimuksesta. Tieteellisen lehtiartikkelin voi lukea täällä.