Stel je een koelkast voor die zo koud is dat hij atomen in hun kwantumtoestand kan veranderen. waardoor ze unieke eigenschappen hebben die de regels van de klassieke natuurkunde tarten.

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast , Andreas Jordanië, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Rochester, en zijn afgestudeerde student Sreenath Manikandan, samen met hun collega Francesco Giazotto van het NEST Istituto Nanoscienze-CNR en Scuola Normale Superiore in Italië, een idee voor zo'n koelkast hebben bedacht, die atomen zou afkoelen tot bijna absolute nultemperaturen (ongeveer minus 459 graden Fahrenheit). Wetenschappers kunnen de koelkast gebruiken, die is gebaseerd op de kwantumeigenschap van supergeleiding, om de prestaties van kwantumsensoren of circuits voor ultrasnelle kwantumcomputers te vergemakkelijken en te verbeteren.

Wat is supergeleiding?

Hoe goed een materiaal elektriciteit geleidt, staat bekend als geleidbaarheid. Wanneer een materiaal een hoge geleidbaarheid heeft, er kan gemakkelijk een elektrische stroom doorheen vloeien. metalen, bijvoorbeeld, zijn goede geleiders, terwijl hout, of de afscherming gewikkeld rond metalen draden, isolatoren zijn. Maar, terwijl metaaldraden goede geleiders zijn, ze ondervinden nog steeds weerstand door wrijving.

In een ideaal scenario een materiaal zou elektriciteit geleiden zonder weerstand te ondervinden; dat is, het zou oneindig veel stroom voeren zonder energie te verliezen. Dit is precies wat er gebeurt met een supergeleider.

"Als je een systeem afkoelt tot extreme temperaturen, de elektronen komen in een kwantumtoestand waar ze zich meer gedragen als een collectieve vloeistof die zonder weerstand stroomt, " zegt Manikandan. "Dit wordt bereikt door elektronen in een supergeleider die paren vormen, bekend als kuiperparen, bij zeer lage temperaturen."

Onderzoekers geloven dat alle metalen supergeleiders kunnen worden als ze koud genoeg worden gemaakt. maar elk metaal heeft een andere "kritische temperatuur" waarbij zijn weerstand verdwijnt.

"Als je deze magische temperatuur bereikt - en het gaat niet geleidelijk, het is een abrupt iets - plotseling zakt de weerstand als een rots naar nul en er is een faseovergang die plaatsvindt, " zegt Jordan. "Een praktische supergeleidende koelkast, voor zover ik weet, helemaal niet gedaan."

Overeenkomsten met een traditionele koelkast

De supergeleidende kwantumkoelkast gebruikt de principes van supergeleiding om te werken en een ultrakoude omgeving te genereren. De koude omgeving is dan bevorderlijk voor het genereren van de kwantumeffecten die nodig zijn om kwantumtechnologieën te verbeteren. De supergeleidende kwantumkoelkast zou een omgeving creëren waarin onderzoekers materialen in een supergeleidende toestand kunnen veranderen - vergelijkbaar met het veranderen van een materiaal in een gas, vloeistof, of vast.

Hoewel supergeleidende kwantumkoelkasten niet voor gebruik in de keuken van een persoon zouden zijn, de werkingsprincipes zijn vrij gelijkaardig aan traditionele koelkasten, zegt Jordanië. "Wat uw keukenkoelkast gemeen heeft met onze supergeleidende koelkasten, is dat hij een faseovergang gebruikt om koelvermogen te krijgen."

Als je naar je keuken gaat en bij je koelkast gaat staan, zul je merken dat het van binnen koud is, maar warm aan de achterkant. Een conventionele koelkast werkt niet door de inhoud koud te maken, maar door warmte te verwijderen. Het doet dit door een vloeistof - het koelmiddel - tussen warme en koude reservoirs te verplaatsen, en het veranderen van de toestand van een vloeistof naar een gas.

"Koelkasten creëren geen koude uit het niets, ', zegt Jordan. 'Er is een principe van behoud van energie. Warmte is een soort energie, dus de koelkast haalt warmte uit de ene ruimte en brengt deze naar een andere regio."

In een conventionele koelkast, het koelmiddel in vloeibare toestand gaat door een expansieventiel. Wanneer de vloeistof wordt geëxpandeerd, zijn druk- en temperatuurdaling als het overgaat in een gasvormige toestand. Het nu koude koudemiddel gaat door een verdamperspiraal aan de binnenkant van de koelbox, warmte absorberen van de inhoud van de koelkast. Het wordt vervolgens opnieuw gecomprimeerd door een compressor die wordt aangedreven door elektriciteit, de temperatuur en druk nog meer verhogen en het van een gas in een hete vloeistof veranderen. De gecondenseerde hete vloeistof, heter dan de buitenomgeving, stroomt door condensorspiralen aan de buitenkant van de koelkast, warmte uitstralen naar de omgeving. De vloeistof komt dan terug in het expansieventiel en de cyclus herhaalt zich.

De supergeleiderkoelkast is vergelijkbaar met een conventionele koelkast, doordat het een materiaal verplaatst tussen warme en koude reservoirs. Echter, in plaats van een koelmiddel dat van vloeibare toestand in gas verandert, de elektronen in een metaal veranderen van de gepaarde supergeleidende toestand naar een ongepaarde normale toestand.

"We doen precies hetzelfde als een traditionele koelkast, maar met een supergeleider, ' zegt Manikandan.

De innerlijke werking van een supergeleidende kwantumkoelkast

In de supergeleidende kwantumkoelkast, onderzoekers plaatsen een gelaagde stapel metalen in een toch al koude, cryogene verdunning koelkast:

• De onderste laag van de stapel is een vel van het supergeleiderniobium, die fungeert als een warm reservoir, verwant aan de omgeving buiten een traditionele koelkast
• De middelste laag is het supergeleider tantaal, wat is de werkzame stof, vergelijkbaar met het koelmiddel in een traditionele koelkast
• De bovenste laag is koper, dat is het koude reservoir, vergelijkbaar met de binnenkant van een traditionele koelkast

Wanneer de onderzoekers langzaam een ​​stroom van elektriciteit op het niobium aanleggen, ze genereren een magnetisch veld dat de middelste tantaallaag doordringt, waardoor de supergeleidende elektronen ontkoppelen, overgang naar hun normale toestand, en afkoelen. De nu koude tantaallaag absorbeert warmte van de nu warmere koperlaag. De onderzoekers schakelen dan langzaam het magnetische veld uit, waardoor de elektronen in het tantaal paren en teruggaan naar een supergeleidende toestand, en het tantaal wordt heter dan de niobiumlaag. Overtollige warmte wordt vervolgens overgebracht naar het niobium. De cyclus herhaalt zich, het handhaven van een lage temperatuur in de bovenste koperlaag.

Dit is vergelijkbaar met het koelmiddel in een traditionele koelkast, overgang van koude cycli waar het wordt geëxpandeerd tot een gas en heet waar het wordt samengeperst tot een vloeistof. Maar omdat de werkende substantie in de quantum supergeleidende koelkast een supergeleider is, "het zijn in plaats daarvan de kuiperparen die ontkoppelen en kouder worden als je langzaam een ​​magnetisch veld aanbrengt bij zeer lage temperaturen, de huidige state-of-the-art koelkast als uitgangspunt nemen en deze nog meer koelen, ' zegt Manikandan.

Terwijl u uw keukenkoelkast gebruikt om melk en groenten op te slaan, wat zou een onderzoeker in een supergeleidende kwantumkoelkast kunnen stoppen?

"Je gebruikt een keukenkoelkast om je eten af ​​te koelen, " zegt Jordan. "Maar dit is een super, super koude koelkast." In plaats van voedsel te bewaren, de supergeleidende kwantumkoelkast kan worden gebruikt om dingen als qubits op te slaan, de basiseenheden van kwantumcomputers, door ze op de stapel metalen te plaatsen. Onderzoekers kunnen de koelkast ook gebruiken om kwantumsensoren te koelen, die licht zeer efficiënt meten en nuttig zijn bij het bestuderen van sterren en andere sterrenstelsels en kunnen worden gebruikt om efficiëntere beeldvorming van diep weefsel in MRI-machines te ontwikkelen.

"Het is echt geweldig om na te denken over hoe dit werkt. Het kost eigenlijk allemaal energie en zet het om in een transformerende warmte."