研究人员开发了超导量子冰箱

文章插图
想象一下，冰箱冷到可以将原子转化为量子态，赋予它们独特的性质，这违反了经典物理学的规则。
罗彻斯特大学物理学教授安德鲁乔丹(AndrewJordan)和他的研究生斯丽娜马尼坎丹(SrinaManikandan)在一份物理评论申请中发表了这一想法，这是自因诺琴蒂基金会(InnocentiFoundatiOnNanoscienze-CNR)和意大利同事、SCUOLANormalSuperiore的弗朗西斯贾佐托(FrancisGiazotto)的巢以来构思的，该巢将把原子冷却到几乎绝对零度(约零下459华氏度) 。科学家可以利用基于超导量子特性的冰箱来提升和改善超快量子计算机的量子传感器或电路的性能。
什么是超导？
材料的导电程度称为电导率。当一种材料具有高导电性时，它很容易允许电流流过。例如，金属是良导体，而木头或缠绕的金属线的屏蔽是绝缘体。然而，虽然金属线是良导体，但由于摩擦，它们仍然会遇到阻力。
在理想条件下，材料可以导电而不会遇到电阻；也就是说，它将在不损失任何能量的情况下无限期地传输电流。这正是超导体的情况。
马尼坎丹说：“当你将系统冷却到极端温度时，电子就进入了量子状态，在这种状态下，它们更像是一种无阻力流动的集体流体。"这是通过超导体中的电子实现的，这些电子在非常低的温度下形成对，称为铜对."
研究人员认为，如果足够冷，所有金属都可以成为超导体，但每种金属都有不同的“临界温度”，其电阻会消失。
乔丹说：“当你达到这种神奇的温度时——这不是一个渐进的过程，而是一个突然的过程——突然之间，电阻像岩石一样降到零，然后发生了相变。“据我所知，一台实用的超导冰箱根本就做不完。”
与传统冰箱的相似之处。
超导量子制冷机利用超导原理工作，产生超冷环境。然后，寒冷的环境有助于产生增强量子技术所需的量子效应。超导冰箱将创造一个环境，让研究人员可以将材料转变成超导状态——类似于将材料转变成气体、液体或固体。
乔丹说，虽然超导量子冰箱不能用于人们的厨房，但其工作原理与传统冰箱非常相似。“你家厨房的冰箱和我们的超导冰箱有一个共同点，就是利用相变来获得制冷量。”
如果你走进厨房，站在冰箱旁边，你会发现里面很冷，但后面很暖和。传统的冰箱不能通过冷却其内容物而是通过散热来运行。它是通过在冷储器和热储器之间移动流体制冷剂并将其状态从液体变为气体来实现的。
乔丹说：“冰箱不会制造冷空气。”“节约能源是有原则的。热量是一种能量，所以冰箱从一个空间区域吸收热量，带到另一个空间区域。”
在传统冰箱中，液态制冷剂通过膨胀阀。当液体膨胀时，当它变成气态时，它的压力和温度会降低。现在，冷制冷剂通过冰箱内部的蒸发器盘管，吸收冰箱内容物的热量。然后，它被电力驱动的压缩机再压缩，以进一步提高其温度和压力，并将其从气体转化为热液体。比外部环境更热的冷凝热液体流经冰箱外部的冷凝器盘管，并向环境散热。液体然后重新进入膨胀阀，并重复循环。
超导制冷机类似于传统制冷机，因为它在热库和冷库之间移动材料。然而，不是制冷剂从液态变成气态，而是金属中的电子从成对超导态变成不成对正常态。
马尼坎丹说：“我们正在做与传统冰箱完全相同的事情，但使用的是超导体。
超导制冷机的内部工作原理。
在超导量子冰箱中，研究人员在冷却的低温稀释冰箱中放置了一层金属：
叠层的底层是一块超导体铌，它起着储热器的作用，类似于传统冰箱外面的环境
中间层是超导体钽，它是一种类似于传统冰箱中制冷剂的工作物质。
顶层是铜，是冷库，类似于传统冰箱的内部。
当研究人员缓慢地向铌施加电流时，他们会产生一个磁?。┩钢屑涞念悴?，导致其超导电子不成对，变成正常状态并冷却下来。现在冷的钽层从现在热的铜层吸收热量。然后，研究人员慢慢关闭磁?。?使钽中的电子配对并变回超导状态，钽变得比铌层更热。然后把多余的热量传递给铌。重复，保持顶部铜层低温。
这类似于传统冰箱中的制冷剂，从冷循环过渡到膨胀的气体和热的地方，在那里被压缩成流体。然而，由于量子超导冰箱中的工作物质是超导体，“相反，当你在非常低的温度下慢慢施加磁场时，铜线对不成对，变得更冷，以最先进的冰箱为基线，冷却得更厉害，”马尼坎丹说。
当你用厨房冰箱储存牛奶和蔬菜时，研究人员能把超导量子冰箱放进去吗？
乔丹说：“你用厨房冰箱给食物降温。“但这是一个超级超级冰箱。”超导冰箱可以用来储存量子计算机的基本单位，比如量子计算机的基本单位。
基本单元，而不是储存食物。研究人员还可以使用冰箱来冷却量子传感器，这种传感器非常有效地测量光，可用于研究恒星和其他星系，并可用于在MRI机器中开发更有效的深部组织成像。
【研究人员开发了超导量子冰箱】“考虑一下这是如何工作的，真是太棒了。它基本上都是将能量转化为变形热量。“