Quando os materiais são resfriados a temperaturas extremamente baixas, seu comportamento geralmente difere fortemente daquele à temperatura ambiente. Um exemplo bem conhecido é a supercondutividade:abaixo de uma temperatura crítica alguns metais e outras substâncias conduzem corrente elétrica sem perdas. Em temperaturas ainda mais baixas, efeitos físicos quânticos adicionais podem ocorrer, que são relevantes para a pesquisa básica, bem como para aplicações em tecnologias quânticas.
No entanto, atingir tais temperaturas - menos de um milésimo de grau acima do zero absoluto de 0 Kelvin, ou -273,15 graus Celsius - é extremamente difícil. Físicos do grupo de pesquisa do Prof. Dr. Dominik Zumbühl na Universidade de Basel, juntamente com colegas do Centro de Pesquisa Técnica VTT na Finlândia e na Universidade de Lancaster na Inglaterra, estabeleceram um novo recorde de baixa temperatura. Seus resultados acabam de ser publicados na Physical Review Research.

Resfriando com campos magnéticos

"Resfriar um material com muita força não é o único problema", explica Christian Scheller, cientista sênior do laboratório de Zumbühl. "Também é preciso medir com segurança essas temperaturas extremamente baixas."

Em seus experimentos, os pesquisadores resfriaram um pequeno circuito elétrico feito de cobre em um chip de silício, primeiro expondo-o a um forte campo magnético, depois resfriando-o com uma geladeira especial conhecida como criostato e, eventualmente, diminuindo o campo magnético lentamente. Dessa forma, os spins nucleares dos átomos de cobre no chip foram inicialmente alinhados como pequenos ímãs e efetivamente esfriaram ainda mais quando, no final, a redução do campo magnético levou a uma diminuição em sua energia magnética.

"Trabalhamos com essas técnicas há uma década, mas até agora as temperaturas mais baixas que podiam ser alcançadas dessa maneira eram limitadas pelas vibrações da geladeira", diz Omid Sharifi Sedeh, que participou dos experimentos como Ph.D. aluna.

Essas vibrações, que surgem da compressão contínua e rarefação do agente de resfriamento hélio em um chamado criostato "seco", aquecem significativamente o chip. Para evitar isso, os pesquisadores desenvolveram um novo porta-amostras com fios tão fortes que o chip pode ser resfriado a temperaturas muito baixas, apesar das vibrações.

Termômetro robusto

Para medir com precisão essas temperaturas, Zumbühl e seus colaboradores aprimoraram um termômetro especial integrado ao circuito. O termômetro consiste em ilhas de cobre que são conectadas pelas chamadas junções de túnel. Os elétrons podem se mover através dessas junções mais ou menos facilmente, dependendo da temperatura.

Os físicos encontraram um método para tornar o termômetro mais robusto contra defeitos de material e, ao mesmo tempo, mais sensível à temperatura. Isso lhes permitiu, finalmente, medir uma temperatura de apenas 220 milionésimos de grau acima do zero absoluto (220 micro Kelvin).

No futuro, os pesquisadores da Basileia querem usar seu método para diminuir a temperatura por outro fator de dez e, a longo prazo, também resfriar materiais semicondutores. Isso abrirá caminho para estudos de novos efeitos quânticos e diversas aplicações, como a otimização de qubits em computadores quânticos. + Explorar mais

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