超导量子冰箱，可将原子冷却至接近绝对零度学术资讯

图片2.png

超导冰箱与传统冰箱类似，但它的“制冷”效果与制冷剂无关。

据phys.org网站6月4日报道，《应用物理评论》杂志发文称，美国罗彻斯特大学物理学教授Andrew Jordan和意大利比萨高等师范学校研究人员Francesco Giazotto等设计了一款可以将原子冷却到接近绝对零度的冰箱。在这款基于超导量子特性的冰箱的帮助下，量子计算机使用的量子传感器或量子电路的性能有望大幅度提高。

理想条件下，超导体可以满足科学家零能耗输送电流的愿望。Jordan的研究生Sreenath Manikandan说：“系统被冷却到极端低温时，电子会进入量子态。此时它们会变得像没有流动阻力的集体流体。极端低温下，超导体中的电子会形成‘库珀对’，进而实现无损耗传输。”研究人员认为，如果温度足够低，所有金属都可能成为超导体。然而，每种金属的临界温度是不一样的。Jordan说：“在临界温度时，材料电阻会突然消失，然后发生相变。但据我所知，还不存在具有实用性的超导冰箱。”

超导量子冰箱利用超导原理运行并产生超低温环境：这有利于增强量子效应。超导量子冰箱可以让研究人员将材料状态转化为超导态。Jordan认为，虽然超导量子冰箱不会用于家用厨房，但其工作原理与传统冰箱非常相似，两者均使用相变来制造低温环境。当你走进厨房，站在冰箱旁边，你会发现冰箱中的温度很低，但是冰箱背面却很温暖。传统冰箱并没有将冰箱里的东西变冷，而是除去了冰箱内部的热量：制冷剂的相变是完成这一过程的关键。Jordan说：“这是能量守恒定律的表现。冰箱将热量从冰箱内带到了冰箱外。而超导冰箱则是利用了金属中电子配对状态的改变——从配对的超导态变成非配对的正常态。”

在超导量子冰箱中，研究人员堆叠起了超导体层。底层是铌超导体，它的作用是热储层，对应传统冰箱的外部环境。中间层是钽超导体，作用类似于传统冰箱的制冷剂。最上层是铜，它的作用是冷储层，对应传统冰箱的内部。当研究人员缓缓地将电流施加于铌上时，它们会产生可穿透钽层的磁场，导致钽层的超导电子解对、过渡至正常态并冷却下来。随后，低温钽层可以吸收铜层的热量。接下来，随着研究人员缓慢关闭磁场，钽中的电子配对会转变回超导态，钽层温度会比铌层温度高，多余的热量就被转移到铌层了。类似这样的过程不断循环，铜层就始终能维持较低的温度。

Jordan说：“超导量子冰箱不会用于储存食物，而是用于冷却量子传感器。这可以推动恒星科学和深层组织成像的研究。超导量子冰箱的工作原理看上去很神奇，但从根本上来讲，它是将能量转换成了转化热。”

科界原创

编译：德克斯特

审稿：三水

责编：张梦

期刊来源：《应用物理评论》

期刊编号：2331-7019

原文链接：

https://phys.org/news/2019-06-superconducting-quantum-refrigerator.html