Исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) значительно уменьшили время и энергозатраты на охлаждение материалов до температуры, близкой к абсолютному нулю, модернизировав стандартный лабораторный холодильник. Ученые уверены, что их прототип устройства, который сейчас проходит коммерциализацию с промышленным партнером, ежегодно сможет сэкономить около 27 миллионов ватт электроэнергии, $30 миллионов глобальных затрат на электричество и достаточно охлаждающей воды, чтобы заполнить 5000 олимпийских бассейнов.
От стабилизации кубитов (основная единица информации в квантовых компьютерах) до поддержания сверхпроводящих свойств материалов и охлаждения телескопа NASA имени Джеймса Уэбба для наблюдения за космосом — ультрахолодное охлаждение необходимо для работы многих приборов и датчиков. На протяжении десятилетий основным устройством для достижения температур, сравнимых с вакуумом космоса, был холодильник с пульсирующей трубкой (PTR).
Эти холодильники циклично сжимают (нагревают) и расширяют (охлаждают) гелий под высоким давлением, чтобы достичь «Большого холода». Принцип работы напоминает обычный бытовой холодильник, который использует трансформацию фреона из жидкости в пар для удаления тепла. Однако, несмотря на свою надежность за последние 40 лет, такие холодильники потребляют больше энергии, чем любой другой компонент экспериментов, требующих ультранизких температур.
Когда исследователь NIST Райан Снодграсс и его коллеги детально изучили холодильник, они обнаружили, что производители сконструировали устройство таким образом, чтобы оно было энергоэффективным только на конечной температуре 4 Кельвина (K) — всего на 4 градуса выше абсолютного нуля. Однако на более высоких температурах, с которых начинается процесс охлаждения, холодильник работал крайне неэффективно.
В ходе экспериментов команда NIST выяснила, что на комнатной температуре давление гелия было настолько высоким, что часть газа просто выходила через предохранительный клапан, не участвуя в процессе охлаждения. Изменив механические соединения между компрессором и холодильником, исследователи добились того, чтобы гелий больше не терялся, значительно улучшив эффективность охлаждения.
Они также настроили ряд клапанов, которые контролируют поток гелия из компрессора в холодильник. Исследователи обнаружили, что если на начальных этапах охлаждения дать клапанам большее открытие, а затем постепенно закрывать их по мере снижения температуры, время охлаждения можно сократить в два, а иногда и в четыре раза.
Сейчас ученым приходится ждать по несколько дней, чтобы квантовые схемы достигли нужных температур для тестирования. Эта новая технология может значительно ускорить научные исследования, связанные с квантовыми вычислениями и другими областями квантовой науки. Также усовершенствованный PTR позволит заменять громоздкие холодильники с пульсирующей трубкой на более компактные, что сократит необходимость в крупной инфраструктуре.
Поскольку исследования в области квантовых вычислений и связанных с ними криогенных технологий продолжают набирать обороты, потребность в таких холодильниках будет только расти. Модифицированный PTR может сэкономить еще больше денег, энергии и воды для охлаждения. Кроме того, ученые смогут значительно ускорить свои исследования, не ожидая длительного времени для охлаждения квантовых компонентов.
Команда исследователей, в которую также входят ученые из Университета Колорадо в Боулдере, описала свой метод в статье, опубликованной 23 апреля в журнале Nature Communications.