Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали работающий прототип универсального “квантового холодильника”. Миниатюрное устройство размерами около 4×5 дюймов сравнивают по мощности охлаждения со сплит-системой, установленной в Мемориале Линкольна.

Конечно, такое сравнение весьма условно. Однако, в отличие от большинства подобных моделей, новинка работает уже не только с отдельными атомами, но и с макрообъектами. Подобно традиционным бытовым холодильникам, она способна охлаждать всё, что угодно. Предметы можно помещать в зону охлаждения и извлекать из неё в любое время.

Действующий прототип квантового холодильника (фото: NIST)
Действующий прототип квантового холодильника (фото: NIST)

Связать квантовые эффекты и объекты макромира позволяет охлаждающий элемент своеобразной конструкции, напоминающей сэндвич. Тончайшие листы меди и сверхпроводники разделены изолирующими слоями нанометровой толщины. При прохождении электрического тока электроны туннелируют в сверхпроводники, что вызывает резкое охлаждение меди. Одновременно происходит обычный теплообмен между «сэндвичем» и охлаждаемым макрообъектом.

Первая демонстрация возможности использования квантовых эффектов для охлаждения относительно крупных предметов была проведена в 2005 году. Тогда за счёт тунеллирования электронов в NIST смогли понизить температуру кубика из германия с длиной ребра 250 мкм. Объём кубика был в 11 тысяч раз больше, чем объём самой активной зоны “холодильника”. За прошедшие восемь лет коллектив учёных смог не просто увеличить габариты, но и перейти от простой демонстрации эффекта к созданию действующего образца.

Охлаждение кубика из германия за счёт квантовых эффектов (фото: NIST)
Охлаждение кубика из германия за счёт квантовых эффектов (фото: NIST)

В научной области такой твердотельный квантовый холодильник обещает настоящую революцию, так как позволяет достичь температур менее 300 мК без использования жидкого гелия и других громоздких систем. Охлаждение до близких к абсолютному нулю температур – важнейшее условие работы многих компонентов современного оборудования. Степень охлаждения существенно лимитирует чувствительность матриц телескопов, регистраторов нейтрино и частиц высокой энергии.

Пока “квантовый холодильник” наиболее эффективен именно для целей глубокого охлаждения, однако авторы продолжают совершенствовать его. Следующий этап – создание универсального термоинтерфейса на основе медных пластин. Есть надежда, что в ближайшие годы такие схемы станут применяться и в быту – например, вместо традиционных шумящих кулеров.