超導量子冰箱：有助於改善量子技術

科技 06-06

導讀

據美國羅切斯特大學近日報道，該校研究人員開發出一種超導量子冰箱，它可以將原子冷卻至接近絕對零度。科學家們使用這種基於超導量子特性的冰箱，促進並改善了量子感測器以及超高速量子計算機電路的性能。

背景

炎炎夏日，冰箱可以幫助我們冷藏食品和其他需要保持恆定低溫冷態的物品。

超導量子冰箱：有助於改善量子技術

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（圖片來源：維基百科）

可是，我們或許未曾想像過這樣一台超冷冰箱：它可以將原子轉變為量子狀態，賦予它們違背經典物理定律的獨特性能。

創新

在一篇發表在《Physical Review Applied》期刊上的論文中，美國羅切斯特大學物理系教授 Andrew Jordan 及其研究生 Sreenath Manikandan 與義大利納米科學研究機構（NEST Istituto Nanoscienze-CNR and Scuola Normale Superiore）的同事們構思了這種冰箱，它可以將原子冷卻至接近絕對零度（約零下459華氏度）。科學家們使用這種基於超導量子特性的冰箱，促進並改善了量子感測器以及超高速量子計算機電路的性能。

技術

材料導電性能好壞稱為「導電率」。當一種材料具有高導電率時，電流可以輕而易舉地通過它。例如，金屬就是良好的導體，而樹木或者包裹金屬線的屏蔽層就是絕緣體。雖然金屬線是良好的導體，但是它們仍然會因為摩擦而產生電阻。

在理想的情況下，一種材料導電時的電阻為零；也就是說，它可以無限的攜帶電流而不損失任何能量。這種現象正好在超導體中發生了。

Manikandan 表示：「當你將一個系統冷卻至極低溫度時，電子進入一種量子狀態。在這種狀態下，它們表現得更像流動中沒有遭遇阻力的集體流體。這是通過超導體中的電子在非常低的溫度下形成所謂的『庫珀對（cooper pair）』來實現的。」

研究人員相信，當溫度足夠低時，所有的金屬都會變成超導體，但是每種金屬具有不同的「臨界溫度」。達到這個溫度時，電阻會消失。

Jordan 表示：「當你達到這個神奇的溫度時（但是這並不是一個漸進的過程，而是一個突發的事件），突然間（如同一塊石頭落下）電阻降低為零，並且相變產生了。據我所知，一台實用的超導冰箱根本就沒有被製造出來。」

超導量子冰箱採用超導原理來運作併產生超冷的環境，而寒冷的環境又有利於產生增強量子技術所需的量子效應。超導量子冰箱會創造出一種環境，在這種環境中研究人員會將材料轉變為超導狀態，類似於將材料轉變為氣體、液體、固體。

Jordan 表示，雖然超導量子冰箱不會用於個人廚房，但是它的工作原理與傳統冰箱非常相似。「你的廚房冰箱與我們的超導冰箱的共同之處在於，採用相變來獲取冷卻能力。」

如果你走進廚房站在冰箱旁，你會發現裡面很冷，而背面很熱。傳統的冰箱並不是讓冰箱裡面的東西變冷，而是去除熱量。這是通過在熱儲層與冷儲層之間移動液體，並將其狀態由液態轉變為氣態來實現的。

Jordan 表示：「根據能量守恆原理，冰箱不會憑空變冷。熱量是一種能量，所以冰箱將熱量從空間中的一個區域帶到另一個區域。」

在傳統冰箱中，液態的製冷劑會通過膨脹閥。當液體膨脹時，它的壓力與溫度隨著它轉變為氣體而下降。現在寒冷的製冷劑通過冰箱內的蒸發器盤管，吸收冰箱內容物的熱量。然後，電力驅動的壓縮機對其進行再壓縮，進一步提高其溫度和壓力，將它從氣體轉變為熱液體。凝結而成的熱液體比外界環境更熱，流過冰箱外部的冷凝器盤管，向外界環境散發熱量。然後，液體重新進入膨脹閥，如此循環往複。

超導量子冰箱：有助於改善量子技術

傳統冰箱的製冷原理（圖片來源：羅切斯特大學/ Michael Osadciw）

超導冰箱類似於傳統冰箱，它在熱儲層與冷儲層之間移動一種材料。然而，這種材料並不是從液態轉變為氣態的製冷劑，而是金屬中由配對的超導態變成非配對的正常態的電子。

Manikandan 表示：「我們正在做的事情與傳統冰箱完全一樣，只是使用了超導體。」

在超導量子冰箱中，研究人員將分層堆疊的金屬放置到一個已冷卻的低溫稀釋冰箱中：

金屬堆的底層是超導體鈮薄片，它充當熱儲層，類似於傳統冰箱的外部環境。
中間層是超導體鉭，它是一種工作物質，類似於傳統冰箱的製冷劑。
頂層是銅，它充當冷儲層，類似於傳統冰箱的內部。

當研究人員緩慢地向鈮施加電流時，它們會產生一個穿透中間鉭層的磁場，導致其超導電子解配對，轉變為正常狀態，並冷卻下來。此時冷的鉭層從此時熱的銅層吸收熱量。然後，研究人員緩慢地關閉磁場，使鉭中的電子配對，並轉變回超導狀態，鉭變得比鈮層更熱。然後，多餘的熱量傳遞給鈮。如此循環重複著，維持在頂部銅層中的低溫。

超導量子冰箱：有助於改善量子技術