|  | 17 марта 2013 | Новости науки и техники

Ученые NIST создали сверхнизкотемпературный холодильник, работающий за счет эффектов квантовой физики

Квантовый холодильник NIST


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.




Ключевые слова:
NIST, Холодильник, Квантовая, Физика, Механика, Эффект, Электрон, Туннелирование, Сверхпроводник, Температура, Охлаждение

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Физикам удалось охладить объект ниже точки квантового предела при помощи " ...
  • Разработана новая лазерная технология, позволяющая охлаждать до сверхнизкой ...
  • Разработана технология охлаждения кристаллов полупроводниковых чипов с помо ...
  • Ученым NIST удалось достичь рекордно низкого уровня ошибок при выполнении к ...
  • Ученые из NIST, используя микроволновое излучение, впервые запутали на кван ...




  • 17 марта 2013 06:22
    #1 Написал: gendalf

    Публикаций: 0
    Комментариев: 617
    даешь 100ггц процессоры в каждый дом smile
        
    17 марта 2013 09:40
    #2 Написал: volod

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1489
    gendalf, это если полупроводники сохраняют свои функции при такой температуре, а иначе ничего не получится, ведь мощность охладителя небольшая и если в процессоре не будет сверх проводимости, то с теплом он не справится.
        
    18 марта 2013 20:51
    #3 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 506
    Интересное устройство. Жаль, нету картинки со схемой конструкции, без нее трудно понять, где происходит охлаждение кроме самой медной пластинки. Да и с ней не все понятно - как ее изолируют от окружающей среды, явно же не на воздухе она торчит. Вообще, любой холодильник подразумевает некую камеру или область, куда можно поместить то, что мы хотим охладить, а не просто пластину меди саму по себе. Но это видимо будет уже следующий шаг.
        
    19 марта 2013 15:56
    #4 Написал: volod

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1489
    Я правильно понял, что тепло не выделяется куда либо, а просто исчезает, работая против электронапряжения?
        
    20 марта 2013 00:11
    #5 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 506
    Тепло не может исчезнуть, это энергия, а закон ее сохранения никто пока не отменил. Вероятно, оно утекает в сверхпроводящий слой, передавая энергию электричеству и выделяется где-то за пределами сверхпроводника - раз по нему течет ток, значит есть замкнутая цепь и тепло будет выделяться на каком-то из ее участков. Электричество производит тепло на участке цепи с наибольшим сопротивлением, а тот кусок цепи где используется сверхпроводник имеет сопротивление равное нулю, следовательно как раз там им не будет выделено ни копейки тепла. Хитрость в том, что они заставили этот сверхпроводник еще и поглощать окружающую тепловую энергию.
        
    20 марта 2013 18:48
    #6 Написал: volod

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1489
    Rsa, тепло не обязано выделяться где-то, не надо путать сохранение энергии и сохранение тепла. Тепловая энергия может переходить в другие виды, как электропечка, ее никто не греет, а тепло выделяется.
    Так и в этом случае я предположил, что тепло тратится против электроэнергии, наверное непонятно выразился
    Цитата: volod
    работая против электронапряжения

    Аналогия - летит мяч (кинетическая энергия электронов = тепловая), мы посылаем навстречу поток воздуха (действующее напряжение) - мяч останавливается (тепло пропадает) и поток воздуха ослабевает (затрачивается электроэнергия). Получаем тепло ушло и электроэнергия затратилась и ничего нигде не выделилось.
        
    21 марта 2013 15:50
    #7 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 506
    Цитата: volod
    Rsa, тепло не обязано выделяться где-то, не надо путать сохранение энергии и сохранение тепла.


    Что значит не обязано? Как раз обязано, согласно закону Джоуля-Ленца, в любом проводнике, по которому течет ток оно выделяется.Это неприменимо только к сверхпроводникам, что и позволяет в этой установке отбирать тепло из окружающего материала. Но раз тепло перешло оттуда в какой-то вид энергии, в данном случае в электричество, то куда-то это электричество надо направить. Логичнее всего, оно просто уйдет на обогрев какого-нить радиатора за пределами холодной камеры. Хотя конечно можно придумать и более экзотические способы его расхода, с меньшим выделением тепла.

    Что касается примера с торможением мяча потоком воздуха, то в нем как раз таки вся кинетическая энергия и уходит в тепло, и воздух и мяч будут слегка разогреты за счет этого, так что если переложить этот пример на электричество и окружающий материал, то ничего кроме нагрева не получится. Установка хитрее работает:)
        
    21 марта 2013 16:05
    #8 Написал: volod

    Публикаций: 0
    Комментариев: 1489
    Rsa, т.е. получается они отбирают тепло переводя его в электричество и потом это электричество еще и потратить можно? За такую разработку дадут нобелевскую и весь мир станет счастлив.
        
    21 марта 2013 17:24
    #9 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 506
    Наверняка там расход электричества в разы выше чем эта мелкая прибавка из зоны охлаждения. Но нобелевку все равно могут дать, прежде не было устройств способных охлаждать до таких температур, да еще и в такой небольшой, с виду даже лабораторной установке.
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.