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美研發(fā)出新型固態(tài)量子冰箱

——可將比自身大得多的物體冷卻至極低溫



2013-04-03 12:55:29 中國(guó)科技網(wǎng)

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員展示了他們最新研制的一款固態(tài)量子冰箱,這款制冷機(jī)利用了微型和納米結(jié)構(gòu)的量子物理學(xué)原理,可將一個(gè)比自身體積大得多的物體冷卻到極其低的溫度。

“這是我見(jiàn)過(guò)的最讓人吃驚的結(jié)果之一。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人喬爾·烏洛姆說(shuō),“我們利用納米結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)來(lái)冷卻銅塊,而銅幾乎是這種制冷元件重量的100萬(wàn)倍。這是納米或微電機(jī)裝置可用來(lái)操縱宏觀世界的一個(gè)罕見(jiàn)例子。”

更重要的是,這款量子冰箱原型的外形尺寸不過(guò)幾英寸(1英寸=2.54厘米)大小,研究人員可以將任何合適的物體放置在制冷區(qū),待冷卻好以后再取走,使用方式與通用的廚房冰箱別無(wú)二樣。其冷卻能力卻與一臺(tái)能為林肯紀(jì)念堂(占地約2000多平方米)這樣規(guī)模的建筑物降溫的窗式空調(diào)相當(dāng)。

這項(xiàng)技術(shù)有望提供一個(gè)緊湊、便利的制冷方式,使先進(jìn)傳感器的溫度能夠低于標(biāo)準(zhǔn)的低溫學(xué)溫度——300毫開(kāi)爾文(MK),從而提高其性能,以用于量子信息系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡攝像機(jī)或?qū)ふ疑衩氐陌滴镔|(zhì)和暗能量。而在以往,這樣的低溫條件通常要使用液態(tài)氦才能制造出來(lái)。

據(jù)發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》上的論文描述,這款量子冰箱的制冷元件由48個(gè)利用特定材料制成的微小“三明治”組成,可以將一塊邊長(zhǎng)2.5厘米、厚3毫米的銅板從290毫開(kāi)爾文冷卻到256毫開(kāi)爾文,制冷過(guò)程歷時(shí)約18小時(shí)。

制冷元件中的“三明治”結(jié)構(gòu)為一層普通金屬、一層1納米厚的絕緣層和一層超導(dǎo)金屬。當(dāng)施加電壓時(shí),最熱的電子會(huì)從普通金屬層經(jīng)過(guò)絕緣體層“隧穿”到超導(dǎo)金屬層。普通金屬層的溫度急劇下降,從而耗盡被冷卻物體的電子能量和振動(dòng)能量,達(dá)到制冷效果。

該研究團(tuán)隊(duì)此前已經(jīng)演示過(guò)這種基本的冷卻方法,但現(xiàn)在已能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于冷卻較大的物體。并且,他們開(kāi)發(fā)了一種顯微機(jī)械加工工藝,可以將冷卻元件“貼”在銅板或其他物體上,制冷完畢后又能夠方便地移除。

目前,將溫度降低至低于300毫開(kāi)爾文需要復(fù)雜、龐大而昂貴的設(shè)備。研究人員希望以此建造更為簡(jiǎn)單、緊湊的替代品,以便更容易地為先進(jìn)傳感器降溫。




責(zé)任編輯: 江曉蓓

標(biāo)簽:固態(tài)量子冰箱,制冷機(jī),傳感器降溫