Исследователи создали сверхпроводящий квантовый холодильник

Представьте себе такую холодильную установку, которая способна обращать атомы в их квантовые состояния (состояния с минимальной энергией), таким образом придавая им уникальные свойства, которые способны игнорировать законы классической физики.

В статье, опубликованной в Physical Review Applied, Эндрю Джордан, профессор физики при Университете Рочестера, и его аспирант Сринат Маникандан вместе со своим коллегой Франческо Джазотто из NEST института Нанонаук - CNR и Scuola Normale Superiore в Италии, задумались над идеей осуществления такого холодильника, который бы охладил атомы до почти абсолютных нулевых температур (около минуса 459 градусов по Фаренгейту). Ученые могли бы применить холодильник, который основан на квантовом свойстве сверхпроводимости, для того чтобы повысить производительность квантовых датчиков или схем для сверхбыстрых квантовых компьютеров.

Что такое сверхпроводимость?

То свойство, которое показывает насколько хорошо материал проводит электричество, известно, как проводимость. Когда материал имеет высокую проводимость, он легко пропускает электрический ток через него. Металлы, например, являются хорошими проводниками, в то время как дерево или экран, обернутый вокруг металлических проводов, являются изоляторами или диэлектриками. Но, хотя металлические провода являются хорошими проводниками, они все же сталкиваются с сопротивлением из-за трения. В идеальном случае материал будет проводить электричество, не встречая сопротивления, то есть он будет нести ток бесконечно, не теряя энергии. Это именно то, что происходит со сверхпроводником.

«Когда вы охлаждаете систему до экстремальных температур, электроны переходят в квантовое состояние, где они ведут себя больше как коллективная жидкость, которая течет без сопротивления», - сообщил Маникандан.

«Это происходит за счет электронов в сверхпроводниках, образующих пары, известные как медные пары, при очень низких температурах».

Исследователи полагают, что все металлы могут стать сверхпроводниками, если их сделать достаточно холодными, но у каждого металла есть своя «критическая температура», при которой его сопротивление исчезает.

«Когда вы достигаете этой волшебной температуры - и это не постепенное, а внезапное событие - внезапно сопротивление просто падает в ноль, и происходит фазовый переход», - пояснил Джордан.

«Практический сверхпроводящий холодильник, насколько я знаю, не был сделан вообще»

Сходства с традиционным холодильником

Сверхпроводящий квантовый холодильник использует принципы сверхпроводимости для работы и создания ультрахолодной среды. Таким образом, холодная среда способствует генерированию квантовых эффектов, необходимых для улучшения квантовых технологий. Сверхпроводящий квантовый холодильник создал бы среду, в которой исследователи могли бы переводить материалы в сверхпроводящее состояние - подобно тому, как материал превращался в газ, жидкость или твердое вещество. По словам Джордана, в то время как сверхпроводящие квантовые холодильники не будут использоваться на кухне у людей, принципы работы очень похожи на традиционные холодильники.

«Что общего в холодильнике вашей кухни с нашими сверхпроводящими холодильниками, так это то, что он использует фазовый переход для получения охлаждающего эффекта»

Если вы зайдете на кухню и будете стоять у холодильника, вы заметите, что внутри холодно, но сзади тепло. Обычный холодильник работает не за счет охлаждения его содержимого, а за счет отвода тепла. Это происходит путем перемещения жидкости - хладагента - между горячими и холодными резервуарами и изменения ее состояния с жидкости на газ.

«Холодильники не создают холода из ничего», - пояснил Джордан.

«Существует принцип сохранения энергии. Тепло - это вид энергии, поэтому холодильник забирает тепло из одной области пространства и переносит его в другую область»

В обычном холодильнике хладагент в жидком состоянии проходит через расширительный клапан. Когда жидкость расширяется, ее давление и температура падают, когда она переходит в газообразное состояние. Теперь холодный хладагент проходит через змеевик испарителя внутри холодильной камеры, поглощая тепло из содержимого холодильника. Затем он повторно сжимается компрессором, работающим от электричества, еще больше повышая его температуру и давление и превращая его из газа в горячую жидкость. Конденсированная горячая жидкость, более горячая, чем внешняя среда, протекает через змеевики конденсатора на внешней стороне холодильника, излучая тепло в окружающую среду. Затем жидкость возвращается в расширительный клапан, и цикл повторяется. Сверхпроводниковый холодильник похож на обычный холодильник в том, что он перемещает материал между горячими и холодными резервуарами. Однако вместо хладагента, который переходит из жидкого состояния в газ, электроны в металле переходят из парного сверхпроводящего состояния в неспаренное нормальное состояние.

«Мы делаем то же самое, что и традиционный холодильник, но со сверхпроводником», - рассказал Маникандан.

Внутренняя работа сверхпроводящего квантового холодильника

В сверхпроводящем квантовом холодильнике исследователи помещают многослойную пачку металлов в уже холодный холодильник с криогенным разбавлением:

- нижний слой стопки представляет собой лист сверхпроводника из ниобия, который действует как горячий резервуар, сродни окружающей среде вне традиционного холодильника;

- средний слой - это сверхпроводящий тантал, который является рабочим веществом, похожим на хладагент в традиционном холодильнике;

- верхний слой - медь, холодный резервуар, похожий на традиционный холодильник;

Когда исследователи медленно прикладывают электрический ток к ниобию, они генерируют магнитное поле, которое проникает в средний слой тантала, заставляя его сверхпроводящие электроны расцепляться, переходить в свое нормальное состояние и охлаждаться. Теперь холодный слой тантала поглощает тепло от теплого слоя меди. Затем исследователи медленно выключают магнитное поле, в результате чего электроны в тантале спариваются и переходят обратно в сверхпроводящее состояние, и тантал становится горячее, чем слой ниобия. Избыточное тепло затем передается ниобию. Цикл повторяется, поддерживая низкую температуру в верхнем слое меди.

Это похоже на хладагент в традиционном холодильнике, который переходит от циклов холода, где он расширяется в газ, и горячего в состояние где он уже сжимается в жидкость. Но поскольку рабочим веществом в квантовом сверхпроводящем холодильнике является сверхпроводник, «вместо этого медные пары расщепляются и становятся холоднее, когда вы медленно прикладываете магнитное поле при очень низких температурах, принимая современный холодильник в качестве базовый уровень и охлаждение еще больше», рассказал Маникандан.

Пока вы используете свой кухонный холодильник для хранения молока и овощей, что исследователь может поместить в сверхпроводящий квантовый холодильник?

«Вы используете кухонный холодильник для охлаждения пищи», - говорит Джордан.

«Но это супер, очень холодный холодильник»

Вместо хранения продуктов можно использовать сверхпроводящий квантовый холодильник для хранения таких вещей, как кубиты, базовые блоки квантовых компьютеров, размещая их на вершине стека металлов. Исследователи также могут использовать холодильник для охлаждения квантовых датчиков, которые очень эффективно измеряют свет и полезны при изучении звезд и других галактик, а также могут быть использованы для разработки более эффективной визуализации глубоких тканей в приборах МРТ.

«Действительно удивительно думать о том, как это работает. Весь процесс в основном сводится к забору энергию и превращения ее в преобразующее тепло»

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к изображениям:

Рисунок 1.

(а) шаги цикла холодильника. (b) зависимость между значениями температуры на каждом шаге цикла и значениями энтропии.

Рисунок 2.

(а) Диаграмма перехода между энергетическими состояниями. (b) кпд сверхпроводящей холодильной установки, (c) архитектура устройства.

Источник: www.sciencedaily.com

Комментарии: