Imagine un refrigerador tan frío que podría convertir los átomos en sus estados cuánticos, dándoles propiedades únicas que desafían las reglas de la física clásica.
en un artículo publicado en Revisión física aplicada Andrew Jordan, profesor de física en la Universidad de Rochester y su estudiante graduado Sreenath Manikandan, junto con su colega Francesco Giazotto del NEST Istituto Nanoscienze-CNR y Scuola Normale Superiore en Italia, han concebido una idea para un refrigerador de este tipo, que enfriaría los átomos a temperaturas casi nulas aproximadamente menos 459 grados Fahrenheit .Los científicos podrían usar el refrigerador, que se basa en la propiedad cuántica de la superconductividad, para facilitar y mejorar el rendimiento de los sensores o circuitos cuánticos para computadoras cuánticas ultrarrápidas.
¿Qué es la superconductividad?
Lo bien que un material conduce la electricidad se conoce como conductividad. Cuando un material tiene una alta conductividad, permite que fluya fácilmente una corriente eléctrica a través de él. Los metales, por ejemplo, son buenos conductores, mientras que la madera o el blindaje envuelto alrededor de cables metálicos, son aislantes. Pero, aunque los alambres de metal son buenos conductores, aún encuentran resistencia debido a la fricción.
En un escenario ideal, un material conduciría electricidad sin encontrar resistencia; es decir, transportaría una corriente indefinidamente sin perder energía. Esto es precisamente lo que sucede con un superconductor.
"Cuando enfría un sistema a temperaturas extremas, los electrones entran en un estado cuántico donde se comportan más como un fluido colectivo que fluye sin resistencia", dice Manikandan. "Esto se logra mediante electrones en un superconductor que forma pares, conocidos comopares de cobre, a temperaturas muy bajas "
Los investigadores creen que todos los metales pueden convertirse en superconductores si se hacen lo suficientemente fríos, pero cada metal tiene una "temperatura crítica" diferente a la que desaparece su resistencia.
"Cuando alcanzas esta temperatura mágica, y no es una cosa gradual, es algo abrupto, de repente la resistencia simplemente cae como una roca a cero y hay una transición de fase que ocurre", dice Jordan. "Una prácticala nevera superconductora, que yo sepa, no se ha hecho en absoluto "
Similitudes con un refrigerador tradicional
El refrigerador cuántico superconductor utiliza los principios de superconductividad para operar y generar un ambiente ultra frío. El ambiente frío entonces es propicio para generar los efectos cuánticos necesarios para mejorar las tecnologías cuánticas. El refrigerador cuántico superconductor crearía un ambiente por el cual los investigadores podrían cambiarmateriales en un estado superconductor, similar a cambiar un material a un gas, líquido o sólido.
Jordan dice que, si bien los refrigeradores cuánticos superconductores no se utilizarían en la cocina de una persona, los principios de funcionamiento son bastante similares a los refrigeradores tradicionales. "Lo que su refrigerador de cocina tiene en común con nuestros refrigeradores superconductores es que utiliza una transición de fase para obteneruna potencia de enfriamiento "
Si entra a su cocina y se para junto a su refrigerador, notará que hace frío en el interior, pero caliente en la parte posterior. Un refrigerador convencional no funciona al enfriar su contenido, sino al eliminar el calor.mover un fluido, el refrigerante, entre depósitos fríos y calientes, y cambiar su estado de líquido a gas.
"Los refrigeradores no crean frío de la nada", dice Jordan. "Hay un principio de conservación de la energía. El calor es un tipo de energía, por lo que el refrigerador toma calor de una región del espacio y lo lleva a otra región."
En un refrigerador convencional, el refrigerante en estado líquido pasa a través de una válvula de expansión. Cuando el líquido se expande, su presión y temperatura caen a medida que pasa a un estado gaseoso. El refrigerante ahora frío pasa a través de un serpentín evaporador en el interiorde la caja del refrigerador, que absorbe el calor del contenido del refrigerador. Luego se vuelve a comprimir por un compresor que funciona con electricidad, elevando su temperatura y presión aún más y convirtiéndolo de un gas a un líquido caliente. El líquido caliente condensado, más caliente queel ambiente exterior, fluye a través de las bobinas del condensador en el exterior del refrigerador, irradiando calor al ambiente. Luego, el líquido vuelve a entrar en la válvula de expansión y el ciclo se repite.
El refrigerador superconductor es similar a un refrigerador convencional, ya que mueve un material entre depósitos fríos y calientes. Sin embargo, en lugar de un refrigerante que cambia de un estado líquido a un gas, los electrones en un metal cambian del superconductor emparejadoestado a un estado normal no emparejado.
"Estamos haciendo exactamente lo mismo que un refrigerador tradicional, pero con un superconductor", dice Manikandan.
El funcionamiento interno de un refrigerador cuántico superconductor
En la nevera cuántica superconductora, los investigadores colocan una pila de metales en capas en una nevera de dilución criogénica ya fría :
La capa inferior de la pila es una lámina del niobio superconductor, que actúa como un depósito caliente, similar al medio ambiente fuera de un refrigerador tradicional
La capa intermedia es el superconductor de tantalio, que es la sustancia de trabajo, similar al refrigerante en un refrigerador tradicional
La capa superior es de cobre, que es el depósito frío, similar al interior de una nevera tradicional
Cuando los investigadores aplican lentamente una corriente de electricidad al niobio, generan un campo magnético que penetra en la capa media de tantalio, haciendo que sus electrones superconductores se desvincúlen, pasen a su estado normal y se enfríen. La capa de tantalio ahora fría absorbecalor de la capa de cobre ahora más cálida. Luego, los investigadores apagan lentamente el campo magnético, haciendo que los electrones en el tántalo se emparejen y vuelvan a pasar a un estado superconductor, y el tántalo se calienta más que la capa de niobio. El exceso de calor se transfiere ael niobio. El ciclo se repite, manteniendo una temperatura baja en la capa superior de cobre.
Esto es similar al refrigerante en un refrigerador tradicional, en transición de ciclos de frío donde se expande en un gas y caliente donde se comprime en un fluido. Pero debido a que la sustancia de trabajo en el refrigerador superconductor cuántico es un superconductor "son, en cambio, los pares de cobre que se desvinculan y se enfrían cuando aplica un campo magnético lentamente a temperaturas muy bajas, tomando el refrigerador de última generación como punto de referencia y enfriándolo aún más ", dice Manikandan.
Mientras usa el refrigerador de su cocina para almacenar leche y vegetales, ¿qué podría poner un investigador en un refrigerador cuántico superconductor?
"Usas un refrigerador de cocina para enfriar tus alimentos", dice Jordan. "Pero este es un refrigerador súper frío". En lugar de almacenar alimentos, el refrigerador cuántico superconductor podría usarse para almacenar cosas como qubits, lo básicounidades de computadoras cuánticas, colocándolas sobre la pila de metales.Los investigadores también podrían usar el refrigerador para enfriar sensores cuánticos, que miden la luz de manera muy eficiente y son útiles para estudiar estrellas y otras galaxias y podrían usarse para desarrollar profundidades más eficientes.Imagen de tejido en máquinas de resonancia magnética.
"Es realmente sorprendente pensar cómo funciona esto. Básicamente, todo toma energía y la convierte en un calor transformador".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rochester . Original escrito por Lindsey Valich. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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