Forskere udvikler superledende kvantekøleskab

Forestil dig et køleskab så koldt, at det kunne forvandle atomer til deres kvantetilstande, giver dem unikke egenskaber, der trodser reglerne for klassisk fysik.

I et papir udgivet i Fysisk gennemgang anvendt , Andrew Jordan, professor i fysik ved University of Rochester, og hans kandidatstuderende Sreenath Manikandan, sammen med deres kollega Francesco Giazotto fra NEST Istituto Nanoscienze-CNR og Scuola Normale Superiore i Italien, har fundet på en idé til et sådant køleskab, som ville afkøle atomer til næsten absolutte nultemperaturer (ca. minus 459 grader Fahrenheit). Forskere kunne bruge køleskabet, som er baseret på superledningens kvanteegenskab, at lette og forbedre ydelsen af ​​kvantesensorer eller kredsløb til ultrahurtige kvantecomputere.

Hvad er superledning?

Hvor godt et materiale leder elektricitet er kendt som ledningsevne. Når et materiale har høj ledningsevne, den lader let en elektrisk strøm strømme igennem den. Metaller, for eksempel, er gode ledere, mens træ, eller afskærmningen viklet omkring metaltråde, er isolatorer. Men, mens metaltråde er gode ledere, de støder stadig på modstand på grund af friktion.

I et ideelt scenario, et materiale ville lede elektricitet uden at støde på modstand; det er, den ville bære en strøm på ubestemt tid uden at miste energi. Det er netop det, der sker med en superleder.

"Når du køler et system ned til ekstreme temperaturer, elektronerne går ind i en kvantetilstand, hvor de opfører sig mere som en kollektiv væske, der flyder uden modstand, "Manikandan siger." Dette opnås ved at elektroner i en superleder danner par, kendt som kooperpar, ved meget lave temperaturer. "

Forskere mener, at alle metaller kan blive superledere, hvis de laves kolde nok, men hvert metal har en anden "kritisk temperatur", ved hvilken dets modstand forsvinder.

"Når du når denne magiske temperatur - og det er ikke en gradvis ting, det er en pludselig ting - pludselig falder modstanden bare som en sten til nul, og der sker en faseovergang, "Jordan siger." Et praktisk superledende køleskab, så vidt jeg ved, er slet ikke blevet gjort. "

Ligheder med et traditionelt køleskab

Det superledende kvantekøleskab bruger principperne for superledelse til at fungere og generere et ultrakoldt miljø. Det kolde miljø bidrager derefter til at generere de kvanteeffekter, der kræves for at forbedre kvanteteknologier. Det superledende kvantekøleskab ville skabe et miljø, hvor forskere kunne ændre materialer til en superledende tilstand - svarende til at ændre et materiale til en gas, væske, eller fast.

Selvom superledende kvantekøleskabe ikke ville være til brug i en persons køkken, driftsprincipperne ligner meget traditionelle køleskabe, Siger Jordan. "Hvad dit køkkenskab har til fælles med vores superledende køleskabe er, at det bruger en faseovergang til at få en kølekraft."

Hvis du går ind i dit køkken og står ved dit køleskab, vil du bemærke, at det er koldt indeni, men varm på bagsiden. Et konventionelt køleskab fungerer ikke ved at gøre indholdet koldt, men ved at fjerne varme. Det gør det ved at flytte en væske - kølemidlet - mellem varme og kolde reservoirer, og ændrer dens tilstand fra en væske til en gas.

"Køleskabe skaber ikke kulde ud af ingenting, "Jordan siger." Der er et princip om bevarelse af energi. Varme er en slags energi, så køleskabet tager varme fra et område i rummet og tager det til et andet område. "

I et konventionelt køleskab, kølemidlet i flydende tilstand passerer gennem en ekspansionsventil. Når væsken ekspanderes, dets tryk og temperaturfald, når det overgår til en gasformig tilstand. Det nu kolde kølemiddel passerer gennem en fordamperspole på indersiden af ​​køleskabskassen, absorberer varme fra køleskabets indhold. Det komprimeres derefter af en kompressor, der drives af elektricitet, øge temperaturen og trykket endnu mere og vende det fra en gas til en varm væske. Den kondenserede varme væske, varmere end det ydre miljø, strømmer gennem kondensatorspoler på ydersiden af ​​køleskabet, udstråler varme til miljøet. Væsken åbner derefter ekspansionsventilen igen, og cyklussen gentages.

Superleder -køleskabet ligner et konventionelt køleskab, ved at det flytter et materiale mellem varme og kolde reservoirer. Imidlertid, i stedet for et kølemiddel, der skifter fra en flydende tilstand til en gas, elektronerne i et metal skifter fra den parrede superledende tilstand til en uparret normal tilstand.

"Vi gør nøjagtig det samme som et traditionelt køleskab, men med en superleder, "Siger Manikandan.

De indre funktioner i et superledende kvanteskab

I det superledende kvantekøleskab, forskere placerer en lagdelt stak metaller i en allerede kold, kryogen fortyndings køleskab:

• Det nederste lag af stakken er et ark af superlederen niob, der fungerer som et varmt reservoir, ligner miljøet uden for et traditionelt køleskab
• Det midterste lag er superleder tantal, som er arbejdsstoffet, ligner kølemidlet i et traditionelt køleskab
• Det øverste lag er kobber, som er det kolde reservoir, ligner indersiden af ​​et traditionelt køleskab

Når forskerne langsomt anvender en strøm af elektricitet til niobiet, de genererer et magnetfelt, der trænger ind i det midterste tantallag, forårsager, at dets superledende elektroner ophæves, overgang til deres normale tilstand, og køle ned. Det nu kolde tantallag absorberer varme fra det nu varmere kobberlag. Forskerne slukker derefter langsomt magnetfeltet, får elektronerne i tantal til at parre og overgå tilbage til en superledende tilstand, og tantal bliver varmere end nioblaget. Overskydende varme overføres derefter til niobiet. Cyklussen gentages, opretholde en lav temperatur i det øverste kobberlag.

Dette ligner kølemidlet i et traditionelt køleskab, overgang fra cykler af kulde, hvor den ekspanderes til en gas og varm, hvor den komprimeres til en væske. Men fordi arbejdsstoffet i det kvantesuperledende køleskab er en superleder, "Det er i stedet kooperparrene, der parrer sig og bliver koldere, når du langsomt anvender et magnetfelt ved meget lave temperaturer, tager det nuværende state-of-the-art køleskab som en baseline og køler det endnu mere, "Siger Manikandan.

Mens du bruger dit køkkenskab til opbevaring af mælk og grøntsager, hvad kan en forsker putte i et superledende kvantekøleskab?

"Du bruger et køleskab til at køle din mad ned, "Siger Jordan." Men dette er en super, superkoldt køleskab. "I stedet for at opbevare mad, det superledende kvantekøleskab kan bruges til at opbevare ting som qubits, kvantecomputers grundenheder, ved at placere dem oven på stakken af ​​metaller. Forskere kunne også bruge køleskabet til at afkøle kvantesensorer, som måler lys meget effektivt og er nyttige til undersøgelse af stjerner og andre galakser og kunne bruges til at udvikle mere effektiv dybvævsafbildning i MR -maskiner.

"Det er virkelig fantastisk at tænke på, hvordan det fungerer. Det tager i bund og grund alt energi og omdanner det til en transformativ varme."