Широкому использованию некоторых типов электронных устройств с микроскопическими размерами и очень низкими рабочими температурами в настоящее время препятствует отсутствие надежных и сравнительно дешевых систем для их охлаждения. Достаточно простой вариант такой системы предложен недавно американскими учеными.

Сотрудники Национального института стандартов и технологии недавно сообщили об изготовлении микрорефрижератора, с помощью которого удалось охладить кубик из германия с длиной ребра 250 мкм до температуры 220 мК. Принцип его действия очень простой. Он основан на эффекте туннелирования в контакте нормальный металл/изолятор/сверхпроводник. Как известно, у сверхпроводника в плотности электронных состояний имеется щель, причем в условиях термодинамического равновесия уровень Ферми металла попадает в центр этой щели, так что туннелирование электронов через диэлектрическую прослойку из металла в сверхпроводник невозможно. При достаточно большом напряжении на контакте ситуация изменяется, так что электроны теперь могут туннелировать в незанятые состояния, расположенные выше щели (см. рис.1). Так как в сверхпроводник туннелируют только электроны с энергиями вблизи уровня Ферми (т.е. самые высокоэнергетичные), то суммарная энергия оставшихся электронов уменьшается, и металл охлаждается.

Рис. 1. Иллюстрация принципа работы микрорефрижератора. Пунктирная линия – химический потенциал; V - напряжение на контакте; 2D - сверхпроводящая щель.

Разработчики использовали четыре пары приборов, имевших размеры 25 х 15 мкм², для охлаждения объекта с размерами 450 х 450мкм² от температуры 320 мК до 225 мК. Комбинация холодильников на основе ³He и устройств с электронным туннелированием могла бы в пределе охлаждать объекты сантиметрового размера до 100 мК и ниже. Такая комбинация была бы полезна для многих задач, требующих очень низких температур, таких как рентгеновские датчики для выявления дефектов в материалах полупроводниковой промышленности. На практике, конечно, приходится попутно решать целый ряд проблем с целью увеличения мощности охлаждения и т.д. Как бы то ни было, ученые полагают, что усовершенствование системы отвода тепла позволит достичь еще более низких температур, вплотную приблизившись к абсолютному нулю.

Источник информации - заметка в бюллетене ПерсТ, выпуск 13 за 2005 г.