Bằng cách sửa đổi một chiếc tủ lạnh thường được sử dụng trong cả nghiên cứu và công nghiệp, các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Tiêu chuẩn Quốc gia Công nghệ (NIST) đã giảm đáng kể thời gian và năng lượng cần thiết để làm lạnh vật liệu xuống nhiệt độ không tuyệt đối vài độ.
Các nhà khoa học cho biết thiết bị nguyên mẫu mà họ hiện đang hợp tác để thương mại hóa với một đối tác công nghiệp, hàng năm có thể tiết kiệm khoảng 27 triệu watt điện, 30 triệu USD tiêu thụ điện toàn cầu và đủ nước làm mát để lấp đầy 5,000 bể bơi Olympic.
Từ việc ổn định qubit (đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử) đến duy trì đặc tính siêu dẫn của vật liệu và giữ cho Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA đủ mát để quan sát bầu trời, làm lạnh cực lạnh là điều cần thiết cho hoạt động của nhiều thiết bị và cảm biến. Trong nhiều thập kỷ, tủ lạnh ống xung (PTR) là thiết bị phù hợp để đạt được nhiệt độ lạnh như chân không ngoài vũ trụ.
Những tủ lạnh này nén (nhiệt) và giãn nở (làm mát) khí helium áp suất cao theo chu kỳ để đạt được “Big Chill”, tương tự như cách tủ lạnh gia đình sử dụng sự chuyển đổi freon từ chất lỏng sang hơi để loại bỏ nhiệt. Trong hơn 40 năm, PTR đã chứng minh được độ tin cậy của mình, nhưng nó cũng ngốn điện, tiêu thụ nhiều điện hơn bất kỳ thành phần nào khác của thí nghiệm nhiệt độ cực thấp.
Khi nhà nghiên cứu Ryan Snodgrass của NIST và các đồng nghiệp của ông xem xét kỹ hơn chiếc tủ lạnh, họ phát hiện ra rằng các nhà sản xuất đã chế tạo thiết bị này để chỉ tiết kiệm năng lượng ở nhiệt độ hoạt động cuối cùng là 4 kelvin (K), hoặc 4 độ trên độ không tuyệt đối. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng những chiếc tủ lạnh này cực kỳ kém hiệu quả ở nhiệt độ cao hơn – một vấn đề lớn vì quá trình làm nguội bắt đầu ở nhiệt độ phòng.
Trong một loạt thí nghiệm, Snodgrass, cùng với các nhà khoa học Joel Ullom, Vincent Kotsubo và Scott Backhaus của NIST, đã phát hiện ra rằng ở nhiệt độ phòng, khí heli chịu áp suất cao đến mức một phần trong số đó bị đẩy qua van xả thay vì được sử dụng. để làm mát. Bằng cách thay đổi các kết nối cơ học giữa máy nén và tủ lạnh, nhóm nghiên cứu đã đảm bảo rằng không có khí heli nào bị lãng phí, cải thiện đáng kể hiệu suất của tủ lạnh.
Đặc biệt, các nhà nghiên cứu liên tục điều chỉnh một loạt van kiểm soát lượng khí heli chảy từ máy nén vào tủ lạnh. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng nếu họ cho phép các van mở rộng hơn ở nhiệt độ phòng và sau đó đóng dần chúng lại khi quá trình làm mát diễn ra, thì họ có thể giảm thời gian hồi chiêu xuống còn từ một nửa đến một phần tư so với hiện tại.
Hiện tại, các nhà khoa học phải đợi một ngày hoặc hơn để các mạch lượng tử mới đủ lạnh để thử nghiệm. Do tiến độ nghiên cứu khoa học có thể bị giới hạn bởi thời gian cần thiết để đạt đến nhiệt độ đông lạnh, nên thời gian hồi chiêu nhanh hơn do công nghệ này mang lại có thể tác động rộng rãi đến nhiều lĩnh vực, bao gồm cả điện toán lượng tử và các lĩnh vực nghiên cứu lượng tử khác.
Snodgrass cho biết, công nghệ do nhóm NIST phát triển cũng có thể cho phép các nhà khoa học thay thế tủ lạnh ống xung lớn bằng tủ lạnh nhỏ hơn nhiều, đòi hỏi ít cơ sở hạ tầng hỗ trợ hơn.
Nhu cầu về những chiếc tủ lạnh này sẽ tăng lên đáng kể khi nghiên cứu về điện toán lượng tử, cùng với sự phụ thuộc vào công nghệ đông lạnh, tiếp tục phát triển. PTR được sửa đổi sau đó sẽ tiết kiệm được nhiều tiền hơn, năng lượng điện và nước làm mát. Ngoài việc hỗ trợ nền kinh tế lượng tử đang phát triển, thiết bị này còn sẽ đẩy nhanh quá trình nghiên cứu vì các nhà khoa học sẽ không còn phải đợi hàng ngày hoặc hàng tuần để qubit và các thành phần lượng tử khác nguội đi.
Bài báo được xuất bản trên tạp chí Nature Communications.