Al modificar un refrigerador comúnmente utilizado tanto en la investigación como en la industria, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han reducido drásticamente el tiempo y la energía necesarios para enfriar materiales a unos pocos grados por encima del cero absoluto.
Los científicos dicen que su dispositivo prototipo, que ahora están trabajando para comercializar con un socio industrial, podría ahorrar anualmente aproximadamente 27 millones de vatios de energía, 30 millones de dólares en consumo mundial de electricidad y suficiente agua de refrigeración para llenar 5,000 piscinas olímpicas.
Desde estabilizar qubits (la unidad básica de información en una computadora cuántica) hasta mantener las propiedades superconductoras de los materiales y mantener el telescopio espacial James Webb de la NASA lo suficientemente frío como para observar los cielos, la refrigeración ultrafría es esencial para el funcionamiento de muchos dispositivos y sensores. Durante décadas, el refrigerador de tubo de pulso (PTR) ha sido el dispositivo más utilizado para alcanzar temperaturas tan frías como el vacío del espacio exterior.
Estos refrigeradores comprimen (calientan) y expanden (enfrían) cíclicamente gas helio a alta presión para lograr el "gran enfriamiento", en términos generales, análogo a la forma en que un refrigerador doméstico utiliza la transformación del freón de líquido a vapor para eliminar el calor. Durante más de 40 años, el PTR ha demostrado su confiabilidad, pero también consume mucha energía, ya que consume más electricidad que cualquier otro componente de un experimento de temperatura ultrabaja.
Cuando el investigador del NIST Ryan Snodgrass y sus colegas observaron más de cerca el refrigerador, descubrieron que los fabricantes habían construido el dispositivo para que fuera energéticamente eficiente solo a su temperatura de funcionamiento final de 4 kelvin (K), o 4 grados por encima del cero absoluto. El equipo descubrió que estos refrigeradores son extremadamente ineficientes a temperaturas más altas, un gran problema porque el proceso de enfriamiento comienza a temperatura ambiente.
Durante una serie de experimentos, Snodgrass, junto con los científicos del NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo y Scott Backhaus, descubrieron que a temperatura ambiente, el gas helio estaba bajo una presión tan alta que parte de él era desviado a través de una válvula de alivio en lugar de usarse. para enfriar. Al cambiar las conexiones mecánicas entre el compresor y el refrigerador, el equipo se aseguró de que no se desperdiciara nada de helio, lo que mejoró enormemente la eficiencia del refrigerador.
En particular, los investigadores ajustaron continuamente una serie de válvulas que controlan la cantidad de gas helio que fluye desde el compresor al refrigerador. Los científicos descubrieron que si permitían que las válvulas tuvieran una apertura mayor a temperatura ambiente y luego las cerraban gradualmente a medida que avanzaba el enfriamiento, podrían reducir el tiempo de enfriamiento a entre la mitad y un cuarto de lo que es ahora.
Actualmente, los científicos deben esperar un día o más hasta que los nuevos circuitos cuánticos estén lo suficientemente fríos para probarlos. Dado que el progreso de la investigación científica puede verse limitado por el tiempo que lleva alcanzar temperaturas criogénicas, el enfriamiento más rápido proporcionado por esta tecnología podría afectar ampliamente a muchos campos, incluida la computación cuántica y otras áreas de la investigación cuántica.
La tecnología desarrollada por el equipo del NIST también podría permitir a los científicos reemplazar los refrigeradores de tubo de pulso grandes por otros mucho más pequeños, que requieren menos infraestructura de soporte, dijo Snodgrass.
La necesidad de estos refrigeradores aumentará enormemente a medida que continúe creciendo la investigación sobre la computación cuántica, junto con su dependencia de la tecnología criogénica. El PTR modificado ahorraría entonces una cantidad mucho mayor de dinero, energía eléctrica y agua de refrigeración. Además de respaldar una floreciente economía cuántica, el dispositivo también aceleraría la investigación porque los científicos ya no tendrían que esperar días o semanas para que los qubits y otros componentes cuánticos se enfríen.
El artículo se publica en la revista Nature Communications.