Физики разрабатывают сверхпроводящий квантовый холодильник

Исследовательская группа, возглавляемая физиками из Рочестерского университета, задумала идею сверхпроводящего квантового холодильника, который охлаждает атомы до практически абсолютных нулевых температур.

Сверхпроводящий квантовый 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. Сверхпроводящий квантовый холодильник использует принципы сверхпроводимости для работы и генерирования сверххолодной среды, которая способствует генерированию квантовых эффектов.

Устройство создает среду, в которой исследователи могли бы переводить материалы в сверхпроводящее состояние - подобно тому, как материал превращается в газ, жидкость или твердое вещество. «Хотя сверхпроводящие квантовые холодильники не предназначены для использования на кухне, принципы работы очень похожи на традиционные холодильники», - сказал профессор Университета Рочестера Эндрю Джордан.

«Что общего в холодильнике с вашей кухни с нашими сверхпроводящими холодильниками, так это в том, что он использует фазовый переход для получения охлаждающей мощности».

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 тем, 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», - сказал Скринат Маникандан, аспирант Рочестерского университета.

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

Нижний слой стопки представляет собой лист сверхпроводника 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, которая является холодным резервуаром, похожим на внутреннюю часть традиционного холодильника.

Когда физики подают электрический ток к ниобию, он генерируют магнитное поле, которое проникает в средний слой тантала, вызывая расслоение его сверхпроводящих электронов, переход к их нормальному состоянию и охлаждение. Затем холодный слой тантала поглощает тепло от теплого слоя меди. После этого ученые 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, переходящий от циклов холода, где он расширяется в газ, и в горячем, когда он сжимается в жидкость», - сказал Маникандан. «Но поскольку рабочим веществом в квантовом сверхпроводящем холодильнике является сверхпроводник, вместо этого медные пары расщепляются и становятся холоднее, когда вы медленно воздействуете магнитным полем при очень низких температурах».

Работа команды была опубликована в журнале Physical Review Applied.