Dengan memodifikasi lemari es yang biasa digunakan baik dalam penelitian maupun industri, para peneliti di National Institute of Standards dan Teknologi (NIST) telah secara drastis mengurangi waktu dan energi yang dibutuhkan untuk mendinginkan material hingga beberapa derajat di atas nol mutlak.
Para ilmuwan mengatakan bahwa perangkat prototipe mereka, yang kini sedang mereka usahakan untuk dikomersialkan bersama mitra industri, setiap tahunnya dapat menghemat sekitar 27 juta watt daya, konsumsi listrik global senilai $30 juta, dan air pendingin yang cukup untuk mengisi 5,000 kolam renang Olimpiade.
Dari menstabilkan qubit (unit dasar informasi dalam komputer kuantum) hingga menjaga sifat superkonduktor material dan menjaga Teleskop Luar Angkasa James Webb NASA cukup dingin untuk mengamati langit, pendinginan ultradingin sangat penting untuk pengoperasian banyak perangkat dan sensor. Selama beberapa dekade, kulkas tabung pulsa (PTR) telah menjadi alat yang ampuh untuk mencapai suhu sedingin ruang hampa udara di luar angkasa.
Lemari es ini secara siklis memampatkan (memanaskan) dan mengembangkan (mendinginkan) gas helium bertekanan tinggi untuk mencapai “Dingin Besar”, yang secara umum analog dengan cara lemari es rumah tangga menggunakan transformasi freon dari cair menjadi uap untuk menghilangkan panas. Selama lebih dari 40 tahun, PTR telah membuktikan keandalannya, namun juga haus daya, mengonsumsi lebih banyak listrik dibandingkan komponen lain dalam eksperimen suhu sangat rendah.
Ketika peneliti NIST Ryan Snodgrass dan rekan-rekannya mengamati lemari es lebih dekat, mereka menemukan bahwa produsen telah membuat perangkat tersebut hemat energi hanya pada suhu pengoperasian akhir 4 kelvin (K), atau 4 derajat di atas nol mutlak. Tim menemukan bahwa lemari es ini sangat tidak efisien pada suhu yang lebih tinggi—masalah besar karena proses pendinginan dimulai pada suhu kamar.
Selama serangkaian percobaan, Snodgrass, bersama dengan ilmuwan NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo, dan Scott Backhaus, menemukan bahwa pada suhu kamar, gas helium berada di bawah tekanan yang sangat tinggi sehingga sebagian darinya dialirkan melalui katup pelepas alih-alih digunakan. untuk pendinginan. Dengan mengubah hubungan mekanis antara kompresor dan lemari es, tim memastikan bahwa tidak ada helium yang terbuang, sehingga sangat meningkatkan efisiensi lemari es.
Secara khusus, para peneliti terus menyesuaikan serangkaian katup yang mengontrol jumlah gas helium yang mengalir dari kompresor ke lemari es. Para ilmuwan menemukan bahwa jika mereka membiarkan katup memiliki bukaan yang lebih besar pada suhu kamar dan kemudian menutupnya secara bertahap saat pendinginan berlangsung, mereka dapat mengurangi waktu pendinginan menjadi antara setengah dan seperempat dari waktu yang ada sekarang.
Saat ini, para ilmuwan harus menunggu satu hari atau lebih agar sirkuit kuantum baru cukup dingin untuk diuji. Karena kemajuan penelitian ilmiah dapat dibatasi oleh waktu yang diperlukan untuk mencapai suhu kriogenik, pendinginan yang lebih cepat yang disediakan oleh teknologi ini dapat berdampak luas pada banyak bidang, termasuk komputasi kuantum dan bidang penelitian kuantum lainnya.
Teknologi yang dikembangkan oleh tim NIST juga memungkinkan para ilmuwan untuk mengganti lemari es tabung besar dengan yang lebih kecil, yang memerlukan infrastruktur pendukung lebih sedikit, kata Snodgrass.
Kebutuhan akan lemari es ini akan semakin meningkat seiring dengan berkembangnya penelitian tentang komputasi kuantum, seiring dengan ketergantungannya pada teknologi kriogenik. PTR yang dimodifikasi kemudian akan menghemat lebih banyak uang, energi listrik, dan air pendingin. Selain mendukung ekonomi kuantum yang sedang berkembang, perangkat ini juga akan mempercepat penelitian karena para ilmuwan tidak perlu lagi menunggu berhari-hari atau berminggu-minggu hingga qubit dan komponen kuantum lainnya menjadi dingin.
Makalah ini dipublikasikan di jurnal Alam Komunikasi.