Os pesquisadores do VTT demonstraram com sucesso uma nova tecnologia de refrigeração eletrônica que pode permitir grandes saltos no desenvolvimento de computadores quânticos. Os computadores quânticos atuais exigem uma infraestrutura de resfriamento grande e extremamente complicada, baseada na mistura de isótopos de hélio. A nova tecnologia de resfriamento eletrônico poderia substituir essas misturas criogênicas de líquidos e permitir a miniaturização de computadores quânticos.

Neste método de refrigeração puramente elétrico, o resfriamento e o isolamento térmico operam efetivamente através do mesmo ponto como a junção. No experimento, os pesquisadores suspenderam um pedaço de silício de tais junções e refrigeraram o objeto alimentando corrente elétrica de uma junção para outra através da peça. A corrente baixou a temperatura termodinâmica do objeto de silício em até 40% em relação ao ambiente. Isso pode levar à miniaturização de futuros computadores quânticos, pois pode simplificar significativamente a infraestrutura de resfriamento necessária. A descoberta foi publicada em Avanços da Ciência .

"Esperamos que este método de resfriamento eletrônico recém-descoberto possa ser usado em várias aplicações, desde a miniaturização de computadores quânticos a sensores de radiação ultrassensíveis do campo de segurança, "diz o professor de pesquisa Mika Prunnila do Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia.

Novas oportunidades para ciência e negócios

Vários dispositivos eletrônicos e ópticos sensíveis requerem operação em baixa temperatura. Um exemplo oportuno é um computador quântico construído a partir de circuitos supercondutores, que requerem refrigeração próxima ao zero absoluto da temperatura termodinâmica (-273,15 graus C).

Hoje, computadores quânticos supercondutores são resfriados pelos chamados refrigeradores de diluição, que são resfriadores de vários estágios baseados no bombeamento de líquidos criogênicos. A complexidade desta geladeira surge do estágio mais frio, cuja operação se baseia no bombeamento de uma mistura de diferentes isótopos de hélio. Mesmo que os refrigeradores de diluição modernos sejam uma tecnologia comercial, eles ainda são grandes, instrumentos científicos caros. A tecnologia de resfriamento eletrônico desenvolvida pelos pesquisadores VTT pode substituir as peças mais frias complexas e levar a reduções significativas na complexidade, custo e tamanho.

"O efeito de resfriamento demonstrado pode ser usado para resfriar ativamente circuitos quânticos em um chip de silício ou em refrigeradores de grande escala. Não é preciso dizer que nós da Bluefors estamos acompanhando este novo desenvolvimento de refrigeradores elétricos com grande interesse, "diz David Gunnarsson, diretor de vendas da Bluefors Oy, a empresa líder em soluções de refrigeração para sistemas quânticos e computadores.

Solução direta para um problema de física aparentemente fundamental

A equipe de pesquisa estava procurando um método eficiente e prático para conduzir o calor de um lugar para outro por meio de corrente elétrica. A solução mais eficiente seria fornecida por uma junção sólida, onde os elétrons mais quentes escalam uma barreira de potencial de escala atômica curta. O desafio com esta abordagem é que o calor não é transportado apenas pelos elétrons, mas também pelos quanta das vibrações da rede atômica - os chamados fônons - também carregam uma quantidade significativa de calor. Os fônons que viajam entre o quente e o frio nivelam as diferenças de temperatura de maneira muito eficaz, especialmente a uma curta distância.

Parecia que o método de resfriamento eletrônico mais eficiente sempre levava ao pior vazamento de calor de fônon possível, e assim, um resultado nulo em termos de resfriamento geral. A equipe de pesquisa VTT postulou que uma solução direta para este problema aparentemente fundamental poderia existir:certas junções materiais podem bloquear a propagação dos fônons enquanto os elétrons quentes passam por eles.

A equipe demonstrou o efeito usando junções semicondutor-supercondutor para refrigerar um chip de silício. Nessas junções, os estados eletrônicos proibidos no supercondutor formam uma barreira pela qual os elétrons do semicondutor têm que escalar para afastar o calor. Ao mesmo tempo, a própria junção espalha ou bloqueia os fônons de maneira tão eficaz que a corrente eletrônica pode introduzir uma diferença significativa de temperatura na junção.

"Acreditamos que esse efeito de resfriamento pode ser observado em muitos ambientes, por exemplo, em junções moleculares, "diz a pesquisadora Emma Mykkänen da VTT.