Cooling Electrons in Nanoelectronic Devices by On-Chip Demagnetisation

این پایان نامه نشان می دهد که یک روش تبرید با دمای بسیار پایین به نام "تبرید مغناطیس زدایی" می تواند کوچک شده و بر روی تراشه های میلی متری برای خنک کردن مدارها، دستگاه ها و مواد نانوالکترونیکی گنجانده شود. تا همین اواخر، کمترین دمایی که تاکنون در چنین سیستم هایی به دست آمده است، حدود 4 میلی کلوین بوده است. در اینجا دمای 1.2mK در یک دستگاه نانوالکترونیک گزارش شده است. این پایان نامه این ایده را معرفی می کند که تبرید مغناطیس زدایی روی تراشه می تواند برای خنک کردن طیف گسترده ای از نانوساختارها و دستگاه ها تا دمای میکروکلوین استفاده شود. این امکان هیجان انگیز کشف فیزیک جدید، مانند فازهای الکترونیکی عجیب و غریب، در یک رژیم ناشناخته و پتانسیل بهبود عملکرد برنامه های موجود، از جمله فناوری های کوانتومی حالت جامد را به ارمغان می آورد. از زمان اولین نمایش تبرید مغناطیس زدایی روی تراشه که در اینجا توضیح داده شد، این تکنیک توسط سایر گروه های تحقیقاتی در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است. کمترین دمای روی تراشه در حال حاضر 0.4mK است. اکنون کار برای انطباق این تکنیک برای خنک کردن مواد و دستگاه‌های دیگر در حال انجام است که در نهایت منجر به پلتفرمی برای مطالعه مواد، دستگاه‌ها و مدارهای نانومقیاس در دمای میکروکلوین می‌شود.

This thesis demonstrates that an ultralow temperature refrigeration technique called "demagnetisation refrigeration" can be miniaturised and incorporated onto millimeter-sized chips to cool nanoelectronic circuits, devices and materials. Until recently, the lowest temperature ever reached in such systems was around 4 millikelvin. Here, a temperature of 1.2mK is reported in a nanoelectronic device. The thesis introduces the idea that on-chip demagnetization refrigeration can be used to cool a wide variety of nanostructures and devices to microkelvin temperatures. This brings the exciting possibility of discovering new physics, such as exotic electronic phases, in an unexplored regime and the potential to improve the performance of existing applications, including solid-state quantum technologies. Since the first demonstration of on-chip demagnetization refrigeration, described here, the technique has been taken up by other research groups around the world. The lowest on-chip temperature is currently 0.4mK. Work is now underway to adapt the technique to cool other materials and devices, ultimately leading to a platform to study nanoscale materials, devices and circuits at microkelvin temperatures.