Исследователи из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) продемонстрировали новый твердотельный холодильный агрегат, который способен охладить различные большие объекты до сверхнизких температур за счет использования эффектов квантовой физики, проявляющихся в микро- и наноструктурах устройства. К тому же, опытный образец квантового холодильника, который имеет размеры в десяток сантиметров, может использоваться подобно бытовому кухонному холодильнику, позволяя помещать внутрь и охлаждать различные объекты для научных целей. А мощность квантового холодильника с точки зрения вырабатываемого холода соответствует мощности большого кондиционера, применяемого для охлаждения больших помещений.
«Этот холодильник является одной из самых поразительных демонстраций использования на практике законов квантовой физики» — рассказывает Джоэл Алом (Joel Ullom), руководитель проекта, — «Мы используем законы и эффекты квантовой механики, проявляющиеся в наноструктурах для охлаждения медного бруска, бруска, в миллионы раз тяжелее, чем сами охлаждающие элементы. Наш холодильник является редким на сегодняшний день видом нано- и микроэлектромеханической системы, управление которой производится на микроскопическом уровне».
Разработанная учеными NIST технология может предложить ученым всего мира удобное и компактное средство охлаждения различных датчиков и других объектов до криогенных температур ниже 300 мК, температур, которых уже невозможно достичь с использованием охлаждения жидким гелием. Охлаждение до столь низких температур может стать основой будущих достижений в области квантовых информационно-вычислительных систем, в области датчиков для сверхвысокочувствительных телескопов и для поисков загадочных темной материи и темной энергии.
Холодильный агрегат NIST состоит из 48 крошечных многослойных охлаждающих элементов, которые охлаждают квадратную пластину из меди, размером 2.5 сантиметра и толщиной 3 миллиметра, до температуры 290-256 мК.Процесс охлаждения занимает приблизительно 18 часов времени. Но ученые NIST уже разработали ряд изменений и модификаций технологии, которые позволят сократить время охлаждения в несколько раз и достигнуть температур приблизительно 100 мК.
Охлаждающие элементы являются многослойными структурами, образованными чередующимися слоями обычного металла и сверхпроводящего материала, изолированными друг от друга изоляционными слоями толщиной около 1 нанометра. Когда к этой структуре прикладывается электрический потенциал, самые «горячие» электроны из металлического слоя за счет эффекта туннелирования переходят через слой изолятора в слой сверхпроводящего материала. Количество энергии металлического слоя понижается, что приводит к резкому понижению его температуры, что используется для отбора электронной и тепловой энергии от охлаждаемого объекта.
Исследователи из NIST демонстрировали такую технологию охлаждения некоторое время назад, но ее практическое воплощение было произведено только недавно. Основным затруднением, с которым пришлось столкнуться, было обеспечение надежного теплового контакта между охлаждающими элементами и промежуточной медной пластиной. Эта проблема была решена с помощью метода микромеханической обработки, на разработку и реализацию которого ушло достаточно много времени.