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 Rochester）2019年6月4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2019年5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 ${\mathrm{cm}}^3$ 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 $1\times 1{\mathrm{cm}}^2$ interface are 25 and 0.06 nW respectively, which scales with the area of the interface.