Модифицировав холодильник, обычно используемый как в научных исследованиях, так и в промышленности, исследователи из Национального института стандартов и технологий Технологии (NIST) радикально сократили время и энергию, необходимые для охлаждения материалов до температуры на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Ученые говорят, что их прототип устройства, над коммерциализацией которого они сейчас работают вместе с промышленным партнером, может ежегодно экономить около 27 миллионов ватт электроэнергии, 30 миллионов долларов глобального потребления электроэнергии и достаточно охлаждающей воды, чтобы заполнить 5,000 олимпийских бассейнов.
Ультрахолодное охлаждение необходимо для работы многих устройств и датчиков: от стабилизации кубитов (основной единицы информации в квантовом компьютере) до поддержания сверхпроводящих свойств материалов и поддержания достаточной температуры космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА для наблюдения за небом. На протяжении десятилетий холодильник с импульсной трубкой (PTR) был рабочим устройством для достижения температур, столь же низких, как вакуум космического пространства.
Эти холодильники циклически сжимают (нагревают) и расширяют (охлаждают) газообразный гелий под высоким давлением для достижения «большого охлаждения», во многом аналогично тому, как бытовой холодильник использует преобразование фреона из жидкости в пар для отвода тепла. За более чем 40 лет PTR доказал свою надежность, но он также энергоемок и потребляет больше электроэнергии, чем любой другой компонент эксперимента со сверхнизкими температурами.
Когда исследователь NIST Райан Снодграсс и его коллеги внимательно изучили холодильник, они обнаружили, что производители создали устройство таким образом, чтобы оно было энергоэффективным только при конечной рабочей температуре 4 кельвина (К), или на 4 градуса выше абсолютного нуля. Команда обнаружила, что эти холодильники крайне неэффективны при более высоких температурах — это большая проблема, поскольку процесс охлаждения начинается при комнатной температуре.
В ходе серии экспериментов Снодграсс вместе с учеными NIST Джоэлом Улломом, Винсентом Коцубо и Скоттом Бакхаусом обнаружили, что при комнатной температуре газообразный гелий находился под таким высоким давлением, что часть его перепускалась через предохранительный клапан вместо того, чтобы использоваться. для охлаждения. Изменив механические соединения между компрессором и холодильником, команда гарантировала, что ни один гелий не будет потрачен зря, что значительно повысило эффективность холодильника.
В частности, исследователи постоянно регулировали ряд клапанов, которые контролируют количество газообразного гелия, поступающего из компрессора в холодильник. Ученые обнаружили, что если бы они позволили клапанам иметь большее отверстие при комнатной температуре, а затем постепенно закрывали бы их по мере охлаждения, они могли бы сократить время охлаждения до половины-четверти того, что есть сейчас.
В настоящее время ученым приходится ждать день или больше, чтобы новые квантовые схемы остыли достаточно для проведения испытаний. Поскольку прогресс научных исследований может быть ограничен временем, необходимым для достижения криогенных температур, более быстрое охлаждение, обеспечиваемое этой технологией, может широко повлиять на многие области, включая квантовые вычисления и другие области квантовых исследований.
Технология, разработанная командой NIST, также может позволить ученым заменить большие холодильники с импульсной трубкой на гораздо меньшие, которые требуют меньше вспомогательной инфраструктуры, сказал Снодграсс.
Потребность в этих холодильниках будет значительно возрастать, поскольку исследования в области квантовых вычислений, а также их зависимость от криогенных технологий продолжают расти. Модифицированный PTR позволит сэкономить гораздо больше денег, электроэнергии и охлаждающей воды. Помимо поддержки растущей квантовой экономики, устройство также ускорит исследования, поскольку ученым больше не придется ждать дни или недели, пока кубиты и другие квантовые компоненты остынут.
Статья опубликована в журнале Природа связи.