En modifiant un réfrigérateur couramment utilisé dans la recherche et l'industrie, des chercheurs du National Institute of Standards and Technologie (NIST) ont considérablement réduit le temps et l’énergie nécessaires pour refroidir les matériaux à quelques degrés au-dessus du zéro absolu.
Les scientifiques affirment que leur prototype, qu'ils travaillent actuellement à commercialiser avec un partenaire industriel, pourrait permettre d'économiser chaque année environ 27 millions de watts d'énergie, 30 millions de dollars de consommation électrique mondiale et suffisamment d'eau de refroidissement pour remplir 5,000 XNUMX piscines olympiques.
De la stabilisation des qubits (l'unité d'information de base dans un ordinateur quantique) au maintien des propriétés supraconductrices des matériaux et au maintien du télescope spatial James Webb de la NASA suffisamment froid pour observer le ciel, la réfrigération ultra-froide est essentielle au fonctionnement de nombreux appareils et capteurs. Pendant des décennies, le réfrigérateur à tube pulsé (PTR) a été l’appareil le plus performant pour atteindre des températures aussi froides que le vide de l’espace.
Ces réfrigérateurs compriment (chauffent) et détendent (refroidissent) de manière cyclique l'hélium gazeux à haute pression pour obtenir le « Big Chill », globalement analogue à la façon dont un réfrigérateur domestique utilise la transformation du fréon de liquide en vapeur pour éliminer la chaleur. Depuis plus de 40 ans, le PTR a prouvé sa fiabilité, mais il est également gourmand en énergie, consommant plus d'électricité que tout autre composant d'une expérience à très basse température.
Lorsque Ryan Snodgrass, chercheur au NIST, et ses collègues ont examiné le réfrigérateur de plus près, ils ont découvert que les fabricants avaient conçu l'appareil pour qu'il soit économe en énergie uniquement à sa température de fonctionnement finale de 4 kelvins (K), soit 4 degrés au-dessus du zéro absolu. L’équipe a constaté que ces réfrigérateurs sont extrêmement inefficaces à des températures plus élevées – un problème majeur car le processus de refroidissement commence à température ambiante.
Au cours d'une série d'expériences, Snodgrass, ainsi que les scientifiques du NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo et Scott Backhaus, ont découvert qu'à température ambiante, l'hélium gazeux était sous une pression si élevée qu'une partie était déviée vers une soupape de surpression au lieu d'être utilisée. pour le refroidissement. En modifiant les connexions mécaniques entre le compresseur et le réfrigérateur, l'équipe a veillé à ce qu'aucun hélium ne soit gaspillé, améliorant ainsi considérablement l'efficacité du réfrigérateur.
En particulier, les chercheurs ont ajusté en permanence une série de vannes qui contrôlent la quantité d’hélium gazeux circulant du compresseur vers le réfrigérateur. Les scientifiques ont découvert que s’ils permettaient aux vannes d’avoir une plus grande ouverture à température ambiante, puis les fermaient progressivement au fur et à mesure du refroidissement, ils pourraient réduire le temps de refroidissement entre la moitié et le quart de ce qu’il est actuellement.
Actuellement, les scientifiques doivent attendre un jour ou plus pour que les nouveaux circuits quantiques soient suffisamment froids pour pouvoir être testés. Étant donné que les progrès de la recherche scientifique peuvent être limités par le temps nécessaire pour atteindre les températures cryogéniques, le refroidissement plus rapide fourni par cette technologie pourrait avoir un impact considérable sur de nombreux domaines, notamment l’informatique quantique et d’autres domaines de la recherche quantique.
La technologie développée par l'équipe du NIST pourrait également permettre aux scientifiques de remplacer les grands réfrigérateurs à tubes pulsés par des réfrigérateurs beaucoup plus petits, qui nécessitent moins d'infrastructures de soutien, a déclaré Snodgrass.
Le besoin de ces réfrigérateurs augmentera considérablement à mesure que la recherche sur l’informatique quantique, ainsi que son recours à la technologie cryogénique, continue de croître. Le PTR modifié permettrait alors d’économiser beaucoup plus d’argent, d’énergie électrique et d’eau de refroidissement. En plus de soutenir une économie quantique en plein essor, l’appareil accélérerait également la recherche car les scientifiques n’auraient plus à attendre des jours ou des semaines pour que les qubits et autres composants quantiques refroidissent.
Le papier est publié dans la revue Communications Nature.