Banbrytande uppfinning inom värmeöverföring möjliggör utveckling av kvantdatorer

Ett forskarteam lett av Mikko Möttönen har lyckats överföra värme med maximal effektivitet en sträcka som är tiotusen gånger längre än någonsin tidigare.Det här kan innebära ett jättesprång inom utvecklingen av supereffektiva kvantdatorer. Forskningsresultaten publicerades den första februari i år i den ansedda tidskriften Nature Physics.

Värmeöverföring är ett av fysikens grundfenomen. De stora upptäckterna inom forskningsområdet påverkar alltså oundvikligen vår vardag. Möttönens forskarlag har lyckats med en prestation som revolutionerar så kallad kvantbegränsad värmeöverföring, det vill säga maximalt effektiv överföring av värme från punkt A till punkt B.

I synnerhet för dem som utvecklar kvantdatorer är det här en strålande nyhet eftersom kvantdatorn måste kunna kylas effektivt för att fungera väl. Samtidigt är datorn mycket känslig för yttre störningar.

Möttönens innovation gör det möjligt att kyla kvantdatorn effektivt men samtidigt så finurligt att datorns funktion inte störs.

– Vi började studera problemet redan 2011 och forskningen har fortskridit steg för steg. Det känns verkligen fint att slutligen nå ett vetenskapligt genombrott som har reella praktiska tillämpningar, glädjer han sig.

Apparaturens uppbyggnad och förenklat mätarrangemang. Apparaturen består av en supraledande transmissionsledning i form av en spiral på ytan av ett kiselchips. Transmissionsledningens båda ändar avslutas i ytterst små (µm) resistorer, i vilka man mäter elektronernas temperaturvariationer och därigenom kan sluta sig till att mikrovågsfotonerna transporterar värme kvantbegränsat i transmissionsledningen. Såväl mätningen av elektronernas temperaturer i båda resistorerna som den aktiva kylningen av den högra resistorn åstadkoms genom att man utnyttjar till resistorerna anslutna övergångar genom vilka elektronerna kan tunnla kvantmekaniskt. Bild: Matti Partanen.

Viktigaste insikten

Vid sina försök fick Möttönens forskarlag värme att överföras kvantbegränsat över en sträcka på en meter. En meter låter kanske inte så överväldigande, men tidigare har man lyckats överföra värme på detta sätt bara över en sträcka motsvarande tjockleken på ett hårstrå.

– När vi talar om en dators processor är en meter en kolossalt lång sträcka. Ingen vill bygga större processorer, framhåller Möttönen.

Den första viktiga idén på vägen till framgång var att använda fotoner för värmetransporten. Fotoner är de partiklar som till exempel allt synligt ljus består av. Tidigare har man gjort försök med exempelvis elektroner.

– Vi vet att fotoner kan transportera värme långa sträckor. Det är ju fotoner som för solens värme till jorden, berättar Möttönen.

Forskarteamet kom på att använda en resistansfri ledning för att transportera fotonerna. Den här supraledande ledningen byggdes på ett kiselchip med en areal av en kvadratcentimeter. I ledningens ändar placerades resistorer och genom att mäta deras temperaturvariationer fick man fram forskningsresultaten.

Atomkraftsmikroskopisk bild av en resistor som används vid mätningen av kvantbegränsad värmeöverföring. Observera att bilden visar inaktiva kopior av vissa strukturer vilket beror på tillverkningsmetoden. Bild: Matti Partanen.

Vid sina försök kunde forskarna visa att kvantbegränsad värmetransport över långa distanser är möjlig. Detta banar väg för att utnyttja fenomenet utanför laboratoriet. Utrustningen som forskarlaget byggt omvälver alltså på ett grundläggande sätt hur värmeöverföring kan utnyttjas i praktiken.

Möttönens artiklar har även tidigare publicerats i tidskrifter som Nature och Science, men den nya upptäckten känns ändå mera betydelsefull än de tidigare.

– Forskargruppen har utfört hela forskningen i mitt eget laboratorium. Visst ger det en segerkänsla, säger Möttönen.

Det tidigare rekordet för värmetransport med maximal effektivitet innehades av Aalto-universitetets professor Jukka Pekolas forskningsgrupp. Forskningen publicerades 2006 i tidskriften Nature.

Konstnärlig syn på värmeöverföring med mikrovågsfotoner, som är kvantbegränsad på långa avstånd. Bild: Riikka Maria Partanen.

Videon Quantum-limited heat conduction over macroscopic distancesberättar om forskningsprocessen:

Forskningsartikel:

Matti Partanen, Kuan Yen Tan, Joonas Govenius, Russell E. Lake, Miika K. Mäkelä, Tuomo Tanttu, and Mikko Möttönen,

"Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances",

Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3642

Länk  http://dx.doi.org/10.1038/nphys3642

Mer information:

Mikko Möttönen, docent, teknologie doktor
Aalto-universitetet
Institutionen för teknisk fysik
QCD Labs
http://physics.aalto.fi/qcd/
Tfn 050 594 0950
[email protected]
Twitter: @mpmotton
Blogg: https://blogs.aalto.fi/quantum/