导读

据美国罗切斯特大学近日报道，该校研究人员开发出一种超导量子冰箱，它可以将原子冷却至接近绝对零度。科学家们使用这种基于超导量子特性的冰箱，促进并改善了量子传感器以及超高速量子计算机电路的性能。

背景

炎炎夏日，冰箱可以帮助我们冷藏食品和其他需要保持恒定低温冷态的物品。

（图片来源：维基百科）

可是，我们或许未曾想象过这样一台超冷冰箱：它可以将原子转变为量子状态，赋予它们违背经典物理定律的独特性能。

创新

在一篇发表在《Physical Review Applied》期刊上的论文中，美国罗切斯特大学物理系教授 Andrew Jordan 及其研究生 Sreenath Manikandan 与意大利纳米科学研究机构（NEST Istituto Nanoscienze-CNR and Scuola Normale Superiore）的同事们构思了这种冰箱，它可以将原子冷却至接近绝对零度（约零下459华氏度）。科学家们使用这种基于超导量子特性的冰箱，促进并改善了量子传感器以及超高速量子计算机电路的性能。

技术

材料导电性能好坏称为“导电率”。当一种材料具有高导电率时，电流可以轻而易举地通过它。例如，金属就是良好的导体，而树木或者包裹金属线的屏蔽层就是绝缘体。虽然金属线是良好的导体，但是它们仍然会因为摩擦而产生电阻。

在理想的情况下，一种材料导电时的电阻为零；也就是说，它可以无限的携带电流而不损失任何能量。这种现象正好在超导体中发生了。

Manikandan 表示：“当你将一个系统冷却至极低温度时，电子进入一种量子状态。在这种状态下，它们表现得更像流动中没有遭遇阻力的集体流体。这是通过超导体中的电子在非常低的温度下形成所谓的‘库珀对（cooper pair）’来实现的。”

研究人员相信，当温度足够低时，所有的金属都会变成超导体，但是每种金属具有不同的“临界温度”。达到这个温度时，电阻会消失。

Jordan 表示：“当你达到这个神奇的温度时（但是这并不是一个渐进的过程，而是一个突发的事件），突然间（如同一块石头落下）电阻降低为零，并且相变产生了。据我所知，一台实用的超导冰箱根本就没有被制造出来。”

超导量子冰箱采用超导原理来运作并产生超冷的环境，而寒冷的环境又有利于产生增强量子技术所需的量子效应。超导量子冰箱会创造出一种环境，在这种环境中研究人员会将材料转变为超导状态，类似于将材料转变为气体、液体、固体。

Jordan 表示，虽然超导量子冰箱不会用于个人厨房，但是它的工作原理与传统冰箱非常相似。“你的厨房冰箱与我们的超导冰箱的共同之处在于，采用相变来获取冷却能力。”

如果你走进厨房站在冰箱旁，你会发现里面很冷，而背面很热。传统的冰箱并不是让冰箱里面的东西变冷，而是去除热量。这是通过在热储层与冷储层之间移动液体，并将其状态由液态转变为气态来实现的。

Jordan 表示：“根据能量守恒原理，冰箱不会凭空变冷。热量是一种能量，所以冰箱将热量从空间中的一个区域带到另一个区域。”

在传统冰箱中，液态的制冷剂会通过膨胀阀。当液体膨胀时，它的压力与温度随着它转变为气体而下降。现在寒冷的制冷剂通过冰箱内的蒸发器盘管，吸收冰箱内容物的热量。然后，电力驱动的压缩机对其进行再压缩，进一步提高其温度和压力，将它从气体转变为热液体。凝结而成的热液体比外界环境更热，流过冰箱外部的冷凝器盘管，向外界环境散发热量。然后，液体重新进入膨胀阀，如此循环往复。

传统冰箱的制冷原理（图片来源：罗切斯特大学/ Michael Osadciw）

超导冰箱类似于传统冰箱，它在热储层与冷储层之间移动一种材料。然而，这种材料并不是从液态转变为气态的制冷剂，而是金属中由配对的超导态变成非配对的正常态的电子。

Manikandan 表示：“我们正在做的事情与传统冰箱完全一样，只是使用了超导体。”

在超导量子冰箱中，研究人员将分层堆叠的金属放置到一个已冷却的低温稀释冰箱中：

• 金属堆的底层是超导体铌薄片，它充当热储层，类似于传统冰箱的外部环境。
• 中间层是超导体钽，它是一种工作物质，类似于传统冰箱的制冷剂。
• 顶层是铜，它充当冷储层，类似于传统冰箱的内部。

当研究人员缓慢地向铌施加电流时，它们会产生一个穿透中间钽层的磁场，导致其超导电子解配对，转变为正常状态，并冷却下来。此时冷的钽层从此时热的铜层吸收热量。然后，研究人员缓慢地关闭磁场，使钽中的电子配对，并转变回超导状态，钽变得比铌层更热。然后，多余的热量传递给铌。如此循环重复着，维持在顶部铜层中的低温。

超导量子冰箱的制冷原理（图片来源：罗切斯特大学/ Michael Osadciw）

这类似于传统冰箱中的制冷剂，由冷循环膨胀为气体，热循环压缩为液体。但是由于量子超导冰箱中的工作物质是超导体，Manikandan 表示：“取而代之的是未配对的库珀。当你在非常低的温度下施加一个磁场时，温度会变得更低。以当前最先进的冰箱作为基准，它的制冷效果会强。”

价值

你会在厨房的冰箱中存储牛奶和蔬菜。那么，研究人员会在超导冰箱中放什么呢？

Jordan 表示：“你采用厨房冰箱冷却食物，但这却是一款超级、超级冷的冰箱。”

超导量子冰箱并不是用来存储食物，而是通过将量子位放在金属堆的顶部，来存储量子位（量子计算机的基本单元）。研究人员还可以用这种冰箱来冷却量子传感器。这些传感器可以非常高效地测量光线，并在研究恒星和其他星系时非常有用，还可用于在核磁共振机器中开发更高效的深层组织成像。

“思考它的工作方式，真正让我们感到神奇。基本上，原理就是获取能量并将其转化为热量。”

关键字

超导、量子位、量子传感器、制冷

参考资料

【1】https://www.rochester.edu/newscenter/researchers-develop-superconducting-quantum-refrigerator-384492/