Le réfrigérateur supraconducteur est similaire à un réfrigérateur conventionnel, en ce qu' il déplace un matériau entre des réservoirs chauds et froids. Cependant, au lieu d'un réfrigérant qui passe d'un état liquide à un gaz, les électrons dans un métal passent de l'état supraconducteur apparié à un état normal non apparié. Crédit :illustration de l'Université de Rochester / Michael Osadciw
Imaginez un réfrigérateur si froid qu'il pourrait transformer les atomes en leurs états quantiques, leur conférant des propriétés uniques qui défient les règles de la physique classique.
Dans un article publié en Examen physique appliqué , André Jordan, professeur de physique à l'Université de Rochester, et son étudiant diplômé Sreenath Manikandan, avec leur collègue Francesco Giazotto du NEST Istituto Nanoscienze-CNR et de la Scuola Normale Superiore en Italie, ont conçu une idée pour un tel réfrigérateur, qui refroidirait les atomes à des températures presque nulles (environ moins 459 degrés Fahrenheit). Les scientifiques pourraient utiliser le réfrigérateur, qui est basé sur la propriété quantique de la supraconductivité, pour faciliter et améliorer les performances des capteurs ou circuits quantiques pour ordinateurs quantiques ultrarapides.
Qu'est-ce que la supraconductivité ?
La conductivité d'un matériau est connue sous le nom de conductivité. Lorsqu'un matériau a une conductivité élevée, il laisse facilement passer un courant électrique à travers lui. Métaux, par exemple, sont de bons conducteurs, tandis que le bois, ou le blindage enroulé autour de fils métalliques, sont des isolants. Mais, alors que les fils métalliques sont de bons conducteurs, ils rencontrent encore une résistance due au frottement.
Dans un scénario idéal, un matériau conduirait l'électricité sans rencontrer de résistance; C'est, il transporterait un courant indéfiniment sans perdre aucune énergie. C'est précisément ce qui se passe avec un supraconducteur.
"Lorsque vous refroidissez un système à des températures extrêmes, les électrons entrent dans un état quantique où ils se comportent plutôt comme un fluide collectif qui s'écoule sans résistance, " dit Manikandan. " Ceci est réalisé par des électrons dans un supraconducteur formant des paires, connu sous le nom de paires de tonneliers, à des températures très basses."
Les chercheurs pensent que tous les métaux peuvent devenir supraconducteurs s'ils sont suffisamment froids, mais chaque métal a une "température critique" différente à laquelle sa résistance disparaît.
"Quand vous atteignez cette température magique - et ce n'est pas une chose progressive, c'est une chose abrupte - tout à coup, la résistance tombe comme une pierre à zéro et il y a une transition de phase qui se produit, " dit Jordan. " Un réfrigérateur supraconducteur pratique, Pour autant que je sache, n'a pas été fait du tout."
Similitudes avec un réfrigérateur traditionnel
Le réfrigérateur quantique supraconducteur utilise les principes de la supraconductivité pour fonctionner et générer un environnement ultra-froid. L'environnement froid est alors propice à la génération des effets quantiques nécessaires à l'amélioration des technologies quantiques. Le réfrigérateur quantique supraconducteur créerait un environnement dans lequel les chercheurs pourraient transformer des matériaux en un état supraconducteur, similaire à la transformation d'un matériau en gaz, liquide, ou solide.
Alors que les réfrigérateurs quantiques supraconducteurs ne seraient pas destinés à être utilisés dans la cuisine d'une personne, les principes de fonctionnement sont assez similaires aux réfrigérateurs traditionnels, dit Jordan. "Ce que votre réfrigérateur de cuisine a en commun avec nos réfrigérateurs supraconducteurs, c'est qu'il utilise une transition de phase pour obtenir une puissance de refroidissement."
Si vous allez dans votre cuisine et que vous vous tenez près de votre réfrigérateur, vous remarquerez qu'il fait froid à l'intérieur, mais chaud à l'arrière. Un réfrigérateur classique ne fonctionne pas en refroidissant son contenu, mais en enlevant la chaleur. Il le fait en déplaçant un fluide - le réfrigérant - entre les réservoirs chauds et froids, et changer son état d'un liquide à un gaz.
"Les réfrigérateurs ne créent pas de froid à partir de rien, " dit Jordan. " Il y a un principe de conservation de l'énergie. La chaleur est une sorte d'énergie, donc le réfrigérateur prend la chaleur d'une région de l'espace et l'emmène dans une autre région."
Dans un réfrigérateur conventionnel, le réfrigérant à l'état liquide traverse un détendeur. Lorsque le liquide est expansé, sa pression et sa température chutent lorsqu'il passe à l'état gazeux. Le réfrigérant maintenant froid passe à travers un serpentin évaporateur à l'intérieur de la boîte de réfrigérateur, absorber la chaleur du contenu du réfrigérateur. Il est ensuite re-comprimé par un compresseur alimenté en électricité, en augmentant encore plus sa température et sa pression et en le transformant d'un gaz en un liquide chaud. Le liquide chaud condensé, plus chaud que l'environnement extérieur, s'écoule à travers les serpentins du condenseur à l'extérieur du réfrigérateur, la chaleur rayonnante vers l'environnement. Le liquide rentre ensuite dans le détendeur et le cycle se répète.
Le réfrigérateur supraconducteur est similaire à un réfrigérateur conventionnel, en ce qu' il déplace un matériau entre des réservoirs chauds et froids. Cependant, au lieu d'un réfrigérant qui passe d'un état liquide à un gaz, les électrons dans un métal passent de l'état supraconducteur apparié à un état normal non apparié.
"Nous faisons exactement la même chose qu'un réfrigérateur traditionnel, mais avec un supraconducteur, " dit Manikandan.
Le fonctionnement interne d'un réfrigérateur quantique supraconducteur
Dans le réfrigérateur quantique supraconducteur, les chercheurs placent une pile de métaux en couches dans un endroit déjà froid, réfrigérateur à dilution cryogénique :
Lorsque les chercheurs appliquent lentement un courant électrique au niobium, ils génèrent un champ magnétique qui pénètre la couche médiane de tantale, provoquant la dissociation de ses électrons supraconducteurs, passage à leur état normal, et refroidir. La couche de tantale maintenant froide absorbe la chaleur de la couche de cuivre maintenant plus chaude. Les chercheurs éteignent ensuite lentement le champ magnétique, amener les électrons dans le tantale à s'apparier et à revenir dans un état supraconducteur, et le tantale devient plus chaud que la couche de niobium. L'excès de chaleur est ensuite transféré au niobium. Le cycle se répète, maintenir une basse température dans la couche de cuivre supérieure.
Ceci est similaire au réfrigérant dans un réfrigérateur traditionnel, transition de cycles de froid où il est détendu dans un gaz et chaud où il est comprimé dans un fluide. Mais parce que la substance active dans le réfrigérateur supraconducteur quantique est un supraconducteur, "Ce sont plutôt les paires de tonneliers qui se découplent et deviennent plus froides lorsque vous appliquez un champ magnétique lentement à des températures très basses, en prenant le réfrigérateur de pointe actuel comme référence et en le refroidissant encore plus, " dit Manikandan.
Pendant que vous utilisez le réfrigérateur de votre cuisine pour conserver le lait et les légumes, que pourrait mettre un chercheur dans un réfrigérateur quantique supraconducteur ?
« Vous utilisez un réfrigérateur de cuisine pour refroidir vos aliments, " dit Jordan. " Mais c'est un super, réfrigérateur super froid." Au lieu de stocker de la nourriture, le réfrigérateur quantique supraconducteur pourrait être utilisé pour stocker des choses comme des qubits, les unités de base des ordinateurs quantiques, en les plaçant au-dessus de la pile de métaux. Les chercheurs pourraient également utiliser le réfrigérateur pour refroidir les capteurs quantiques, qui mesurent la lumière très efficacement et sont utiles dans l'étude des étoiles et d'autres galaxies et pourraient être utilisés pour développer une imagerie des tissus profonds plus efficace dans les appareils d'IRM.
"C'est vraiment incroyable de penser à la façon dont cela fonctionne. Tout cela prend essentiellement de l'énergie et la convertit en une chaleur transformatrice."
