Föreställ dig ett kylskåp så kallt att det kan förvandla atomer till sina kvanttillstånd, ger dem unika egenskaper som trotsar reglerna för klassisk fysik.

I ett papper publicerat i Fysisk granskning tillämpad , Andrew Jordan, professor i fysik vid University of Rochester, och hans doktorand Sreenath Manikandan, tillsammans med sin kollega Francesco Giazotto från NEST Istituto Nanoscienze-CNR och Scuola Normale Superiore i Italien, har tänkt en idé för ett sådant kylskåp, som skulle kyla atomer till nästan absolut noll temperaturer (cirka minus 459 grader Fahrenheit). Forskare kan använda kylskåpet, som är baserad på superkonduktivitetens kvantegenskap, för att underlätta och förbättra prestanda för kvantsensorer eller kretsar för ultrasnabba kvantdatorer.

Vad är supraledning?

Hur väl ett material leder elektricitet kallas konduktivitet. När ett material har hög konduktivitet, den låter lätt en elektrisk ström flöda genom den. Metaller, till exempel, är bra ledare, medan trä, eller skärmen lindad runt metalltrådar, är isolatorer. Men, medan metalltrådar är bra ledare, de stöter fortfarande på motstånd på grund av friktion.

I ett idealiskt scenario, ett material skulle leda elektricitet utan att möta motstånd; det är, det skulle bära en ström på obestämd tid utan att förlora någon energi. Detta är exakt vad som händer med en superledare.

"När du kyler ner ett system till extrema temperaturer, elektronerna går in i ett kvanttillstånd där de beter sig mer som en kollektiv vätska som flyter utan motstånd, "Manikandan säger." Detta uppnås genom att elektroner i en superledare bildar par, känd som kooperpar, vid mycket låga temperaturer. "

Forskare tror att alla metaller kan bli supraledare om de görs tillräckligt kalla, men varje metall har en annan "kritisk temperatur" vid vilken dess motstånd försvinner.

"När du når denna magiska temperatur - och det är inte en gradvis sak, det är en plötslig sak - plötsligt sjunker motståndet som en sten till noll och det sker en fasövergång, "Jordan säger." Ett praktiskt superledande kylskåp, så vitt jag vet, har inte gjorts alls. "

Likheter med en traditionell kylskåp

Det supraledande kvantkylskåpet använder principerna för supraledning för att driva och skapa en ultrakall miljö. Den kalla miljön bidrar då till att generera de kvanteffekter som krävs för att förbättra kvanttekniken. Det supraledande kvantkylskåpet skulle skapa en miljö där forskare kunde ändra material till ett supraledande tillstånd - liknande att ändra ett material till en gas, flytande, eller fast.

Även om supraledande kvantkylskåp inte skulle användas i en persons kök, driftsprinciperna liknar ganska traditionella kylskåp, Säger Jordan. "Vad ditt kökskylskåp har gemensamt med våra supraledande kylskåp är att det använder en fasövergång för att få en kylkraft."

Om du går in i ditt kök och står vid ditt kylskåp kommer du att märka att det är kallt på insidan, men varmt på baksidan. Ett vanligt kylskåp fungerar inte genom att göra innehållet kallt, men genom att ta bort värmen. Det gör detta genom att flytta en vätska - köldmediet - mellan varma och kalla behållare, och ändra dess tillstånd från en vätska till en gas.

"Kylskåp skapar inte kyla av ingenting, "Jordan säger." Det finns en princip för bevarande av energi. Värme är en slags energi, så kylskåpet tar värme från ett område i rymden och tar det till ett annat område. "

I ett vanligt kylskåp, kylmediet i flytande tillstånd passerar genom en expansionsventil. När vätskan expanderas, dess tryck och temperaturfall när det övergår till ett gasformigt tillstånd. Det nu kalla köldmediet passerar genom en förångarspole på insidan av kylboxen, absorberar värme från kylskåpets innehåll. Den komprimeras sedan av en kompressor som drivs av elektricitet, höja temperaturen och trycket ännu mer och förvandla den från en gas till en varm vätska. Den kondenserade heta vätskan, varmare än den yttre miljön, flödar genom kondensorbatterier på utsidan av kylskåpet, utstrålar värme till miljön. Vätskan kommer sedan tillbaka till expansionsventilen och cykeln upprepas.

Superledarkylskåpet liknar ett vanligt kylskåp, genom att det förflyttar ett material mellan varma och kalla behållare. Dock, istället för ett köldmedium som övergår från ett flytande tillstånd till en gas, elektronerna i en metall förändras från det parade supraledande tillståndet till ett oparat normaltillstånd.

"Vi gör exakt samma sak som ett traditionellt kylskåp, men med en superledare, "Säger Manikandan.

De inre funktionerna i en supraledande kvantkylskåp

I det superledande kvantkylskåpet, forskare placerar en lager av metaller i en redan kall, kryogen utspädningskylskåp:

• Det nedre lagret av stapeln är ett ark av supraledaren niob, som fungerar som en varm reservoar, besläktad med miljön utanför ett traditionellt kylskåp
• Mittskiktet är supraledartantal, som är arbetsämnet, liknar köldmediet i ett traditionellt kylskåp
• Det översta lagret är koppar, som är den kalla reservoaren, liknar insidan av ett traditionellt kylskåp

När forskarna långsamt tillför en ström av niob, de genererar ett magnetfält som tränger igenom det mellersta tantalskiktet, orsakar dess superledande elektroner att koppla ihop, övergång till sitt normala tillstånd, och svalna. Det nu kalla tantalskiktet absorberar värme från det nu varmare kopparskiktet. Forskarna stänger sedan långsamt av magnetfältet, får elektronerna i tantalet att para sig och övergå tillbaka till ett supraledande tillstånd, och tantalet blir varmare än niobskiktet. Överskottsvärme överförs sedan till niobiet. Cykeln upprepas, bibehålla en låg temperatur i det övre kopparskiktet.

Detta liknar köldmediet i ett traditionellt kylskåp, övergång från cykler av kyla där den expanderas till en gas och varm där den komprimeras till en vätska. Men eftersom arbetssubstansen i det kvant -supraledande kylskåpet är en superledare, "Det är istället kuperpar som lossnar och blir kallare när du applicerar ett magnetfält långsamt vid mycket låga temperaturer, ta det nuvarande toppmoderna kylskåpet som utgångspunkt och kyla det ännu mer, "Säger Manikandan.

Medan du använder köket för att lagra mjölk och grönsaker, vad kan en forskare stoppa i ett supraledande kvantkylskåp?

"Du använder ett köksskåp för att kyla ner din mat, "Säger Jordan." Men det här är en super, superkallt kylskåp. "I stället för att lagra mat, det superledande kvantkylskåpet kan användas för att lagra saker som qubits, grundenheterna för kvantdatorer, genom att placera dem ovanpå metallbunten. Forskare kan också använda kylskåpet för att kyla kvantgivare, som mäter ljus mycket effektivt och är användbara för att studera stjärnor och andra galaxer och kan användas för att utveckla mer effektiv djupvävnadsavbildning i MR -maskiner.

"Det är verkligen fantastiskt att tänka på hur det här fungerar. Allt tar i princip energi och omvandlar det till en transformativ värme."