ساخت یخچال‌هایی در مقیاس کوانتومی
ساخت یخچال‌هایی در مقیاس کوانتومی
مجله علمی ایلیاد - گروهی تحقیقاتی به سرپرستی فیزیکدانان دانشگاه روچستر، ایده‌ای برای طراحی یخچال‌های کوانتومی ابررسانا ارائه کرده‌اند. این یخچال‌ها می‌توانند اتم‌ها را تا دماهای نزدیک به صفر مطلق سرد کنند. یخچال کوانتومی ابررسانا از اصول ابررسانایی برای تولید یک محیط فوق‌سرد استفاده می‌کند و به کمک آن، اثرات کوانتومی مورد نیاز برای بهبود تکنولوژی‌های کوانتومی تولید می‌شود. دستگاه مورد نظر محیطی را می‌سازد که در آن مواد به حالت ابررسانا تغییر حالت می‌دهند. مثل اینکه ماده به گاز، مایع و یا جامد تبدیل شده باشد. پروفسور «اندرو جردن» می‌گوید: «این یخچال‌ها برای استفاده در آشپزخانه‌ی افراد کاربرد ندارند، ولی اصول عملکردی آن‌ها مشابه یخچال‌های مرسوم است. این یخچال‌ها نیز از تغییر فاز برای تولید قدرت خنک‌کنندگی استفاده می‌کنند.»
در یخچال‌های معمولی، خنک‌کننده یک مایع است که با عبور از شیر انبساط، دما و فشار آن کاهش یافته و به فاز گاز می‌رود. این گاز از درون لوله‌هایی که در محیط یخچال جریان دارند عبور می‌کند و گرمای محتویات یخچال را جذب می‌کند. گاز در مرحله‌ی بعد توسط کمپرسور مجدداً فشرده می‌شود و دما و فشار آن بالاتر می‌رود و به فاز مایع وارد می‌شود. این مایع از درون لوله‌هایی که خارج یخچال قرار دارند عبور کرده و گرمای خود را از طریق تشعشع به محیط بیرون انتقال می‌دهد.
یخچال‌های ابررسانا نیز مانند یخچال‌های معمولی کار می‌کنند. به هر حال، در این یخچال‌ها به جای سیال خنک‌کننده‌ای که از حالت گاز به مایع تغییر حالت می‌دهد، الکترون‌های موجود در یک فلز از حالت جفت ابررسانا به حالت غیرجفت معمولی تغییر حالت می‌دهند. در یخچال‌های کوانتومی، محققین ابتدا فلزات لایه‌ای را در یک یخچال سرد قرار می‌دهند. لایه‌ی زیرین این فلزات در واقع ابررسانای «نیوبیوم» است که به‌عنوان مخزن گرم عمل می‌کند و معادل محیط بیرون برای یخچال‌های معمولی است. لایه‌ی وسط ابررسانای «تانتالوم» است که به‌عنوان سیال خنک‌کننده عمل می‌کند. لایه‌ی رویی مس است که به‌عنوان مخزن سرد عمل می‌کند.
وقتی که فیزیکدانان جریان برق را به آرامی به نیوبیوم وصل می‌کنند، میدان مغناطیسی تولید می‌شود که به لایه‌ی تانتالوم نفوذ می‌کند و باعث می‌شود الکترون‌های آن از حالت جفت‌شدگی خارج شده و سرد شوند. تانتالوم سرد گرمای لایه‌ی مسی را جذب می‌کند. در مرحله‌ی بعد، میدان مغناطیسی قطع شده و الکترون‌های تانتالوم به حالت جفت‌شدگی برمی‌گردند و تانتالوم گرم‌تر از نیوبیوم می‌شود و گرمای اضافی خود را به نیوبیوم می‌دهد. این چرخه ادامه پیدا می‌کند و دمای لایه‌ی مس بالایی پایین نگه داشته می‌شود.
نتایج کار این محققین در مجله‌ی Physical Review Applied به چاپ رسیده است.