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研究人员开发超导量子制冷机
2019年06月06日    阅读量:119    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

想象一下冰箱如此冷,它可以将原子转化为它们的量子态,赋予它们独特的性质,违背了经典物理学的规则。


罗德与施瓦茨

在“ 物理评论应用”杂志上发表的一篇论文中  ,罗切斯特大学物理学教授Andrew Jordan和他的研究生Sreenath Manikandan以及来自NEST Istituto Nanoscienze-CNR和意大利Scuola Normale Superiore的同事Francesco Giazotto构思了这种冰箱的想法,它会将原子冷却到几乎绝对的零温度(约零下459华氏度)。科学家们可以使用基于超导量子特性的冰箱来促进和提高超快速量子计算机的量子传感器或电路的性能中国机械网okmao.com


什么是超导电性?


材料导电的程度称为导电性。当材料具有高导电性时,它容易允许电流流过它。例如,金属是良导体,而木材或缠绕金属线的屏蔽是绝缘体。但是,虽然金属线是良导体,但它们仍然会因摩擦而遇到阻力。


在理想的情况下,材料可以在不遇到阻力的情况下导电; 也就是说,它会无限期地传输电流而不会失去任何能量。这正是超导体所发生的情况。


“当你将系统冷却到极端温度时,电子进入量子状态,在那里它们更像是一种无阻力流动的集体流体,”Manikandan说。“这是通过超导体中的电子实现的,这种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,但每种金属都具有不同的“临界温度”,其阻力消失。


“当你达到这个神奇的温度 - 这不是一个渐进的事情,它是一个突然的事情 - 突然间阻力就像岩石一样下降到零,并且发生相变,”乔丹说。“据我所知,一个实用的超导冰箱根本没有完成。”


与传统冰箱的相似之处


超导量子制冷器利用超导原理操作并产生超冷环境。然后,冷环境有助于产生增强量子技术所需的量子效应。超导量子制冷器将创造一种环境,研究人员可以将材料转变为超导状态 - 类似于将材料变为气体,液体或固体。


乔丹说,虽然超导量子冰箱不能用于人的厨房,但其操作原理与传统冰箱非常相似。“你的厨房冰箱与我们的超导冰箱有什么共同之处在于它使用相变来获得冷却能力。”


如果你进入你的厨房并站在冰箱旁边,你会发现里面很冷,但背面很暖和。传统的冰箱不能通过使其内容物冷却而是通过移除热量来操作。它通过在冷热水库之间移动流体(制冷剂)并将其状态从液态变为气态来实现。


乔丹说:“冰箱不会制造冷空气。” “有一个节约能源的原则。热量是一种能量,因此冰箱从一个空间区域吸收热量并将其带到另一个区域。”


在传统的冰箱中,液态制冷剂通过膨胀阀。当液体膨胀时,其压力和温度在转变成气态时下降。现在冷的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。然后通过由电力驱动的压缩机进行再压缩,进一步提高其温度和压力,并将其从气体转变为热液体。比外部环境更热的冷凝热液体流过冰箱外部的冷凝器盘管,向环境辐射热量。然后液体重新进入膨胀阀并重复循环。


超导冰箱类似于传统冰箱,因为它在热水库和冷水库之间移动材料。然而,代替从液态变为气态的制冷剂,金属中的电子从成对的超导状态变为未成对的正常状态。


“我们正在做与传统冰箱完全相同的事情,但是使用超导体,”Manikandan说。


超导量子制冷机的内部工作原理


在超导量子冰箱中,研究人员在已冷却的低温稀释冰箱中放置一层金属层:


堆叠的底层是一片超导体铌,它充当热储存器,类似于传统冰箱外的环境


中间层是超导体钽,它是一种工作物质,类似于传统冰箱中的制冷剂


顶层是铜,这是一个冷藏库,类似于传统冰箱的内部


当研究人员慢慢向铌施加电流时,它们会产生一个穿透中间钽层的磁场,导致其超导电子不成对,转变为正常状态,并冷却下来。现在冷的钽层从现在变暖的铜层吸收热量。然后研究人员慢慢关闭磁场,使钽中的电子配对并转变回超导状态,钽变得比铌层更热。然后将过量的热量传递给铌。循环重复,在顶部铜层中保持低温。


这类似于传统冰箱中的制冷剂,从冷的循环过渡到膨胀的气体和热的地方,在那里被压缩成流体。但是因为量子超导冰箱中的工作物质是一种超导体,“相反,当你在非常低的温度下缓慢施加磁场时,铜线对不成对并变得更冷,将当前最先进的冰箱作为基线和冷却甚至更多,“Manikandan说。


当你用厨房冰箱存放牛奶和蔬菜时,研究人员可能会把超导量子冰箱放进去吗?


“你用厨房冰箱冷却你的食物,”乔丹说。“但这是一款超级超级冰箱。” 超导量子冰箱不是存储食物,而是通过将量子计算机的基本单元放置在金属堆叠的顶部,用于存储量子计算器等基本单元。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。


“考虑一下它是如何工作的,这真是太神奇了。它基本上都是将能量转化为变形热量。”


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