Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Los usuarios de los ordenadores y otros dispositivos electrónicos saben lo importante que es que no se calienten en exceso. También que cuanto más potente es uno de estos dispositivos más necesita de mayores y mejores sistemas de enfriamiento. Siguiendo esta lógica los próximos ordenadores cuánticos, con una capacidad de de cálculo muchísimo mayor que los actuales, tendrán también unas necesidades excepcionales de enfriamiento.

Los dispositivos electrónicos de enfriamiento de última generación funcionan haciendo que los electrones calientes se encaucen desde un metal a un superconductor, llevándose el calor con ellos. Ahora un nuevo diseño, que tiene un “desagüe” para eliminar las partículas calientes del superconductor, ha sido capaz de enfriar una placa de metal de micras desde aproximadamente 150 milikelvin a una temperatura récord de menos de 30 mK, esto es, 30 milésimas de grado por encima del cero absoluto. Dispositivos basados en este diseño podrían instalarse directamente en un chip para las necesidades de refrigeración de los ordenadores cuánticos o de detectores de baja temperatura ultrasensibles.

La estructura básica de los dispositivos de enfriamiento electrónico consiste en la unión de dos NIS (metal-aislante-superconductor normales). Cuando se aplica voltaje, los electrones de energía relativamente alta (lo que habitualmente llamaríamos calientes) salen del metal hacia un superconductor, mientras que los de baja energía (fríos) le llegan desde un segundo superconductor. Usando esta técnica se ha llegado a enfriar un pequeño trozo de metal desde los 100 a los 40 mK. Sin embargo, la capacidad de enfriamiento de este diseño se ve reducida porque parte del calor se filtra de nuevo hacia el metal en forma de “cuasipartículas” calientes (pares electrón-hueco) que están en los superconductores.

Lo que Hung Nguyen, de la Universidad Aalto (Finlandia), y colaboradores han hecho ahora ha sido encontrar la manera de reducir esta filtración de calor en un dispositivo basado en aluminio.

Primero, aislaron el metal del sustrato del dispositivo colocándolo encima de las conexiones superconductoras. Después, conectaron cada superconductor a un banda de metal (aluminio-manganeso), que actuaría como desagüe de las cuasipartículas: si una cuasipartícula entra en esta aleación pierde rápidamente su energía que cede en forma de fonones (energía de vibración) a la estructura cristalina.

Como resultado el dispositivo mejorado no solo baja a temperaturas más bajas que ningún otro, además gracias a su desagüe de cuasipartículas su capacidad de enfriamiento (la cantidad de calor que es capaz de eliminar en un segundo) es mucho mayor que el de otros diseños.

El camino a la construcción de ordenadores cuánticos y otros dispositivos de alto rendimiento en formatos compactos en un futuro próximo está más despejado.

Referencia:

H. Q. Nguyen, M. Meschke, H. Courtois, and J. P. Pekola (2014) Sub-50-mK Electronic Cooling with Large-Area Superconducting Tunnel Junctions Physical Review Applied 2, 054001 DOI: 10.1103/PhysRevApplied.2.054001

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance