Los ingenieros de EPFL han creado un dispositivo que puede convertir eficientemente el calor en voltaje a temperaturas más bajas que las del espacio exterior. La innovación podría ayudar a superar un obstáculo importante para el avance de la tecnología de computación cuántica, que requiere temperaturas extremadamente bajas para funcionar de manera óptima.

Para realizar computación cuántica, los bits cuánticos (qubits) deben enfriarse a temperaturas en el rango de mikelvin (casi -273 grados Celsius) para ralentizar el movimiento atómico y minimizar el ruido. Sin embargo, la electrónica utilizada para gestionar estos circuitos cuánticos genera un calor difícil de eliminar a temperaturas tan bajas. Como resultado, la mayoría de las tecnologías actuales deben separar los circuitos cuánticos de sus componentes electrónicos, lo que genera ruido e ineficiencia que dificulta la realización de sistemas cuánticos más grandes fuera del laboratorio.

Investigadores del Laboratorio de Nanoelectrónica y Estructuras (LANES) de la EPFL, dirigidos por Andras Kis, han creado un dispositivo que no sólo funciona a temperaturas extremadamente bajas, sino que también es tan eficiente como la tecnología actual a temperatura ambiente. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Nanotechnology.

El estudiante de doctorado de LANES, Gabriele Pasquale, dijo: "Somos los primeros en crear un dispositivo que iguala la eficiencia de conversión de la tecnología actual, pero funciona con campos magnéticos bajos y temperaturas ultrabajas requeridas para los sistemas cuánticos. Este trabajo es realmente un paso adelante".

El innovador dispositivo combina la excelente conductividad eléctrica del grafeno con las propiedades semiconductoras del seleniuro de indio. Con solo unos pocos átomos de espesor y comportándose como un objeto bidimensional, esta novedosa combinación de materiales y estructura da como resultado un rendimiento sin precedentes.

El dispositivo explota el efecto Nernst: un fenómeno termoeléctrico complejo que produce un voltaje cuando un campo magnético es perpendicular a un objeto cuya temperatura cambia. La naturaleza 2D de los equipos de laboratorio permite controlar eléctricamente la eficiencia del mecanismo.

Las estructuras 2D se fabricaron en el Centro de Tecnología Micro-Nano de EPFL y en el Laboratorio LANES. Los experimentos incluyeron el uso de láseres como fuentes de calor y refrigeradores de dilución especializados para alcanzar los 100 mikelvin, una temperatura incluso más fría que la del espacio exterior.

Convertir calor en voltaje a temperaturas tan bajas suele ser un gran desafío, pero el nuevo dispositivo y su explotación del efecto Nernst lo hacen posible, llenando un vacío clave en la tecnología cuántica.

"Si deja su computadora portátil en una oficina fría, ésta se calentará mientras trabaja, lo que provocará un aumento de la temperatura de la habitación. En los sistemas de computación cuántica, actualmente no existe ningún mecanismo para evitar que este calor interfiera con los qubits. Nuestro dispositivo puede proporcionar este enfriamiento necesario", dijo Pasquale.

Pasquale, físico de formación, destacó que la investigación es importante porque arroja luz sobre la conversión de energía termoeléctrica a bajas temperaturas, un fenómeno hasta ahora inexplorado. Dada la alta eficiencia de conversión y el uso de componentes electrónicos potencialmente fabricables, el equipo de LANES también cree que su dispositivo ya puede integrarse en circuitos cuánticos de baja temperatura existentes.

"Estos hallazgos representan un avance importante en la nanotecnología y prometen el desarrollo de tecnologías de enfriamiento avanzadas críticas para la computación cuántica a temperaturas de mikelvin", dijo Pasquale. "Creemos que este logro revolucionará los sistemas de refrigeración para tecnologías futuras".