Вчені NIST створили сверхнизкотемпературный холодильник, що працює за рахунок ефектів квантової фізики

Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (National Institute of Standards and Technology, NIST) продемонстрували новий твердотільний холодильний агрегат, який здатний охолодити різні великі об'єкти до наднизьких температур за рахунок використання ефектів квантової фізики, що проявляються в мікро - і наноструктурах пристрою. До того ж, досвідчений зразок квантового холодильника, який має розміри в десяток сантиметрів, може використовуватися подібно побутового кухонного холодильника, дозволяючи поміщати всередину і охолоджувати різні об'єкти для наукових цілей. А потужність квантового холодильника з точки зору виробленого холоду відповідає потужності великого кондиціонера, застосовуваного для охолодження великих приміщень.
"Цей холодильник є однією з найбільш вражаючих демонстрацій використання на практиці законів квантової фізики" - розповідає Джоел Алом (Joel Ullom), керівник проекту, - "Ми використовуємо закони і ефекти квантової механіки, які проявляються в наноструктурах для охолодження мідного бруска, бруска, в мільйони разів важче, ніж самі охолоджувальні елементи. Наш холодильник є рідкісним на сьогоднішній день видом нано - і мікроелектромеханічну системи, управління якою здійснюється на мікроскопічному рівні".
Розроблена вченими NIST технологія може запропонувати науковцям усього світу зручне і компактне засіб охолодження різних датчиків і інших об'єктів до кріогенних температур нижче 300 мК, температур, яких вже неможливо досягти з використанням охолодження рідким гелієм. Охолодження до таких низьких температур може стати основою майбутніх досягнень в області квантових інформаційно-обчислювальних систем, в області датчиків для сверхвысокочувствительных телескопів і для пошуків загадкових темної матерії і темної енергії.
Холодильний агрегат NIST складається з 48 крихітних багатошарових охолоджуючих елементів, які охолоджують квадратну пластину з міді, розміром 2.5 см і товщиною 3 міліметри, до температури 290-256 мК.Процес охолодження займає приблизно 18 годин часу. Але вчені NIST вже розробили ряд змін і модифікацій технології, які дозволять скоротити час охолодження в кілька разів і досягти температур приблизно 100 мК.
Охолоджуючі елементи є багатошаровими структурами, утвореними шарами, що чергуються звичайного металу і надпровідного матеріалу, ізольованими один від одного ізоляційними шарами товщиною близько 1 нанометра. Коли до цієї структури прикладається електричний потенціал, самі "гарячі" електрони з металевого шару за рахунок ефекту тунелювання переходять через шар ізолятора в шар надпровідного матеріалу. Кількість енергії металевого шару знижується, що призводить до різкого зниження його температури, що використовується для відбору електронної та теплової енергії від охолоджуваного об'єкта.
Дослідники з NIST демонстрували таку технологію охолодження деякий час тому, але її практичне втілення було вироблено лише нещодавно. Основним утрудненням, з якими довелося зіткнутися, було забезпечення надійного теплового контакту між охолоджуючими елементами і проміжної мідною пластиною. Ця проблема була вирішена за допомогою методу микромеханической обробки, на розробку і реалізацію якого пішло досить багато часу.

Першоджерело