研究と産業の両方で一般的に使用されている冷蔵庫を改造することにより、国立標準研究所の研究者は、 テクノロジー (NIST) は、材料を絶対零度より数度高い範囲まで冷却するのに必要な時間とエネルギーを大幅に削減しました。
科学者らは、現在業界パートナーと商品化に向けて取り組んでいるプロトタイプの装置によって、推定年間27万ワットの電力、世界の電力消費量で30万ドル、そしてオリンピックの5,000のプールを満たすのに十分な冷却水を節約できると述べている。
量子ビット (量子コンピューターの情報の基本単位) の安定化から、材料の超伝導特性の維持、NASA のジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡を天空を観察できるほど十分に低温に保つことまで、超低温冷凍は多くのデバイスやセンサーの動作に不可欠です。何十年もの間、パルス管冷凍機 (PTR) は、宇宙空間の真空と同じくらい低い温度を達成するための主力装置でした。
これらの冷蔵庫は、高圧ヘリウムガスを周期的に圧縮 (加熱) および膨張 (冷却) して「ビッグチル」を実現します。これは、家庭用冷蔵庫が熱を除去するためにフロンを液体から蒸気に変換する方法とほぼ同様です。 40 年以上にわたり、PTR はその信頼性を証明してきましたが、同時に電力を大量に消費し、超低温実験の他のコンポーネントよりも多くの電力を消費します。
NISTの研究者ライアン・スノッドグラス氏とその同僚が冷蔵庫を詳しく調べたところ、メーカーが最終動作温度4ケルビン（K）、つまり絶対零度より4度高い場合のみエネルギー効率が良くなるように装置を製造していたことが判明した。研究チームは、これらの冷蔵庫は高温では非常に非効率であることを発見しました。冷却プロセスは室温で始まるため、これは大きな問題です。
一連の実験中に、スノッドグラス氏は、NIST の科学者ジョエル・ウーロム氏、ビンセント・コツボ氏、スコット・バックハウス氏とともに、室温ではヘリウムガスが非常に高圧であるため、その一部が使用されずにリリーフバルブを通って分路されてしまうことを発見しました。冷却用。コンプレッサーと冷蔵庫の間の機械的接続を変更することで、チームはヘリウムが無駄にならないようにし、冷蔵庫の効率を大幅に向上させました。
特に研究者らは、コンプレッサーから冷凍機に流れるヘリウムガスの量を制御する一連のバルブを継続的に調整した。科学者らは、室温でバルブの開口部を大きくし、冷却が進むにつれて徐々にバルブを閉じると、冷却時間を現在の半分から 1/4 に短縮できることを発見しました。
現在、科学者は新しい量子回路がテストできるほど冷えるまで 1 日以上待つ必要があります。科学研究の進歩は極低温に達するまでの時間によって制限される可能性があるため、この技術によって提供されるより速い冷却は、量子コンピューティングや他の量子研究分野を含む多くの分野に広く影響を与える可能性があります。
NISTチームが開発した技術により、科学者は大型のパルス管冷凍機を、必要なサポートインフラストラクチャが少なくて済むはるかに小型の冷凍機に置き換えることも可能になるだろうとスノッドグラス氏は述べた。
極低温技術への依存とともに量子コンピューティングに関する研究が成長し続けるにつれて、これらの冷蔵庫の必要性は大幅に拡大すると考えられます。修正された PTR により、はるかに多くの費用、電気エネルギー、冷却水が節約されます。このデバイスは、急成長する量子経済をサポートするだけでなく、科学者が量子ビットやその他の量子コンポーネントが冷えるまで何日も何週間も待つ必要がなくなるため、研究も促進されます。
論文は雑誌に掲載されています ネイチャー·コミュニケーションズ.