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La structure en T forme un condensateur avec la barre de cuivre (colorée). A droite, les quatre fils supraconducteurs sont reliés par des jonctions tunnel. Soumis à un signal radio, ce transistor arrache des électrons et des calories au cuivre. © J. Pekol
Cette minuscule puce exploite l'effet tunneleffet tunnel et les techniques de l'électronique classique pour fabriquer du froid, et même du très froid puisqu'elle est capable de descendre à 0,1 kelvinkelvin, soit un dixième de degré au-dessus zéro absoluzéro absolu. En matièrematière de basse température, ce n'est pas un record puisque l'on sait atteindre une centaine de picokelvins (1 picokelvin = 10-12 kelvin). Mais la méthode, qui fait appel à la résonance magnétique nucléairerésonance magnétique nucléaire, ne fonctionne que dans des conditions très particulières. Pour refroidir des volumesvolumes relativement grands, on ne connaît que l'héliumhélium liquideliquide, qui, lui, se contente de 0,3 kelvin.
Le circuit imaginé par Jukka Pekola (Université de technologie d'Helsinki) et son équipe a la puissance nécessaire pour refroidir un volume raisonnable de quelques cm3. Voilà de quoi intéresser les scientifiques et en particulier les astronomesastronomes, à la recherche d'un moyen pour rafraîchir le plus possible les détecteurs de rayons Xrayons X. La chaleurchaleur, en effet, augmente considérablement le bruit de fond et constitue le pire ennemi de la sensibilité de ces instruments, qui nous renseignent sur les phénomènes les plus puissants de l'universunivers.
Les électrons chauds triés un par un
Parmi les systèmes produisant du froid, le principe est nouveau mais ses éléments sont pourtant bien connus. La puce glaçante fonctionne comme un transistor à effet de champ, utilisé en électronique de façon banale, dans lequel une charge électrique est retenue dans un condensateurcondensateur jusqu'à ce qu'une tension du bon voltage la libère par effet tunnel. Cette méthode a déjà été exploitée, du moins au laboratoire, pour réaliser un système réfrigérant. L'idée est d'extraire ainsi les électronsélectrons dits chauds, c'est-à-dire ceux dont l'énergieénergie est supérieure à l'énergie de Fermi (la plus élevée). Ce faisant, on retire de la chaleur d'un côté.
Mais ici, la jonction à effet tunnel est d'un type particulier. Exploitant le phénomène dit du blocage de CoulombCoulomb, elle ne laisse passer qu'un seul électron à la fois et connecte un métalmétal classique (du cuivrecuivre) et un supraconducteursupraconducteur. Par ailleurs, plutôt que d'instaurer une tension électrique pour capter les électrons, Jukka Pekola et son équipe font appel à un rayonnement électromagnétique. Le résultat est une meilleure filtrationfiltration des électrons les plus énergétiques. Conséquence : un refroidissement plus efficace.
Le petit engin n'a pas encore atteint ses limites théoriques mais le travail vient d'être présenté dans les Physical Review Letters. Il reste encore à démontrer qu'il sera effectivement capable de refroidir un détecteur de rayons X...
