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研究人员开发出超导量子冰箱

已有 812 次阅读 2019-6-6 01:38 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯| 超导, 量子冰箱, 库珀对

研究人员开发出超导量子冰箱

诸平

Fig. 1 The superconductor fridge is similar to a conventional refrigerator, in that it moves a material between hot and cold reservoirs. However, instead of a refrigerant that changes from a liquid state to a gas, the electrons in a metal change from the paired superconducting state to an unpaired normal state. Credit: University of Rochester illustration / Michael Osadciw

 

据美国罗切斯特大学(University of Rochester2019年64日提供的消息,该大学的研究人员与美国查普曼大学(Chapman University)以及意大利纳米科学研究机构(Istituto Nanoscienze-CNR and Scuola Normale Superiore)的研究人员合作开发出了超导量子冰箱(superconducting quantum refrigerator)。超导体冰箱与传统冰箱相似,它在冷热储层之间移动一种材料。然而,超导冰箱不是制冷剂从液态变成气态,而是金属中的电子从配对的超导态变成了非配对的正常态(见图1所示)。

想象一下,一个冷到可以把原子转变成量子态的冰箱,赋予它们不受经典物理学规则约束的独特属性。相关研究结果20195月13日已经在《物理篇论应用》(Physical Review Applied杂志——Sreenath K. Manikandan; Andrew N. Jordan. Superconducting Quantum Refrigerator: Breaking and Rejoining Cooper Pairs with Magnetic Field Cycles, Physical Review Applied, 2019, 11(5): 054034. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.054034

安德鲁·乔丹(Francesco Giazotto是来自意大利纳米科学研究机构的一名研究人员。他们合作早就对于这样一种冰箱有了一个idea,将原子冷却到接近绝对零度的温度。科学家可以利用这种基于超导量子特性的冰箱,促进和提高用于超快量子计算机的量子传感器或电路的性能。

何为超导?

一种材料导电的好坏被称为电导率。当一种材料具有高导电性时,它很容易让电流通过。例如,金属是良导体,而木头或金属线周围的屏蔽层是绝缘体。但是,尽管金属丝是良导体,它们仍然会因为摩擦而遇到阻力。在理想的情况下,材料导电时不会遇到电阻;也就是说,它可以无限地携带电流而不损失任何能量。这正是超导体所发生的。

Sreenath K. Manikandan说:“当你把一个系统冷却到极端温度时,电子进入量子态,它们的行为更像是一种没有阻力的集体流体。”“这是通过超导体中的电子在非常低的温度下形成电子对来实现的,这种电子对被称为库珀对(cooper pairs)。”

研究人员认为,如果温度足够低,所有金属都能成为超导体,但每种金属都有一个不同的“临界温度”,在这个温度下,金属的电阻会消失。

安德鲁·乔丹说:“当你达到这个神奇的温度时——这不是一个渐进的过程,而是一个突然的过程——突然间电阻就像石头一样降到零,然后就发生了相变。”“据我所知,一台实用的超导冰箱还没有被制造出来。”

超导冰箱与传统冰箱相似

超导量子制冷机利用超导原理工作并产生超冷环境。寒冷的环境有利于产生增强量子技术所需的量子效应。超导量子冰箱将创造一种环境,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。

安德鲁·乔丹说,虽然超导量子冰箱不会用于个人厨房,但其工作原理与传统冰箱非常相似。“你的厨房冰箱和我们的超导冰箱的共同点是,它们都是使用相变来获得冷却动力。”

如果你走进厨房,站在冰箱旁边,你会注意到里面很冷,但是后面很暖和。传统冰箱的工作原理不是把冰箱里的东西变冷,而是把里面的热量去除。它通过在热储层和冷储层之间移动液体(实际上就是制冷剂),并将其状态从液体变为气体来实现这一点。

“冰箱不会凭空变冷,” 安德鲁·乔丹说,“这是能量守恒定律。热量是一种能量,所以冰箱把热量从空间的一个区域带到另一个区域。”

在传统冰箱中,液态制冷剂通过膨胀阀。当液体膨胀时,它的压力和温度随着它转变成气态而下降。现在的冷制冷剂通过冰箱箱内的蒸发器线圈,吸收冰箱内的热量。然后再由电力驱动的压缩机对其进行再压缩,进一步提高其温度和压力,并将其从气体变成热液体。凝结的热液体,比外界环境更热,流经冰箱外部的冷凝器线圈,向外界散发热量。然后液体重新进入膨胀阀,循环往复。超导体冰箱与传统冰箱相似,它在冷热储层之间移动一种材料。然而,不是制冷剂从液态变成气态,而是金属中的电子从配对的超导态变成了非配对的正常态。

Sreenath K. Manikandan说:“我们正在做的事情和传统冰箱完全一样,只是使用了超导体。”

超导量子冰箱的内部工作原理

在超导量子冰箱中,研究人员将一层一层的金属放入已经很冷的低温稀释冰箱(cryogenic dilution refrigerator)中:一层一层的金属其底层是一层超导体铌,它充当一个热储层,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;最上层是铜,这是一个冷储层,类似于传统冰箱的内部。当研究人员缓慢地将电流施加到铌片上时,它们会产生穿透中间钽层的磁场,导致钽层的超导电子解对,过渡到正常状态,然后冷却下来。现在冷的钽层从现在热的铜层吸收热量。然后,研究人员慢慢地关闭磁场,使钽中的电子配对并转变回超导状态,钽层的温度就会比铌层的温度高。多余的热量被转移到铌上。这样的循环重复着,维持着铜层顶部的低温。这类似于传统冰箱中的制冷剂,从冷循环膨胀为气体,热循环压缩为液体。但由于在量子超导冰箱中的工作介质,不是制冷剂,“而是未配对的库伯对,缓慢变冷时在非常低的温度下施加一个磁场,以当前最先进的冰箱为基线,制冷温度甚至会更低, Sreenath K. Manikandan说。当你用厨房里的冰箱来储存牛奶和蔬菜时,研究人员会在超导量子冰箱里放些什么呢? 安德鲁·乔丹说:“你用厨房的冰箱来冷却食物。“但这是一个超级、超级冷的冰箱。”超导量子冰箱可以将量子比特(量子计算机的基本单位)放在金属堆上,而不是用来储存食物。研究人员还可以用这个冰箱来冷却量子传感器。量子传感器可以非常有效地测量光,在研究恒星和其他星系时非常有用,还可以在核磁共振成像仪上开发更高效的深层组织成像。“想到它是如何运作的,真的很神奇。基本上就是把能量转化成热。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract                            

We propose a solid-state refrigeration technique based on repeated adiabatic magnetization and demagnetization cycles of a superconductor, which acts as the working substance. The gradual cooling down of a substrate (normal metal) in contact with the working substance is demonstrated for different initial temperatures of the substrate. Excess heat is given to a hot large-gap superconductor. The on-chip refrigerator works in a cyclic manner because of an effective thermal switching mechanism: heat transport between N-N versus N-S junctions is asymmetric because of the appearance of the energy gap. This switch permits selective cooling of the metal. We find that this refrigeration technique can cool down a 0.3 cm3 block of Cu by almost 2 orders of magnitude starting from 200 mK, and down to about 1 mK starting from the base temperature of a dilution fridge (10 mK). The corresponding cooling power at 200 and 10 mK for a 1×1cm2 interface are 25 and 0.06 nW respectively, which scales with the area of the interface.



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1 吴国林

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