Une équipe de recherche dirigée par des physiciens de l’Université de Rochester a conçu l’idée d’un réfrigérateur quantique supraconducteur, qui permettrait de refroidir les atomes à des températures proches du zéro absolu.
Le réfrigérateur quantique supraconducteur est similaire à un réfrigérateur classique, en ce sens qu’il déplace un matériau entre des réservoirs chauds et froids. Cependant, au lieu d’un réfrigérant qui passe de l’état liquide à l’état gazeux, les électrons d’un métal passent de l’état supraconducteur apparié à l’état normal non apparié. Crédit image : Michael Osadciw, Université de Rochester illustration.
Le réfrigérateur quantique supraconducteur utilise les principes de la supraconductivité pour fonctionner et générer un environnement ultra-froid, propice à la génération des effets quantiques requis pour améliorer les technologies quantiques.
Le dispositif créerait un environnement dans lequel les chercheurs pourraient faire passer des matériaux à l’état supraconducteur – de la même manière que l’on fait passer un matériau à l’état gazeux, liquide ou solide.
“Bien que les réfrigérateurs quantiques supraconducteurs ne puissent pas être utilisés dans la cuisine d’une personne, les principes de fonctionnement sont assez similaires à ceux des réfrigérateurs traditionnels”, a déclaré le professeur Andrew Jordan de l’Université de Rochester.
“Ce que votre réfrigérateur de cuisine a en commun avec nos réfrigérateurs supraconducteurs, c’est qu’il utilise une transition de phase pour obtenir une puissance de refroidissement.”
Dans un réfrigérateur conventionnel, le réfrigérant à l’état liquide passe à travers une valve d’expansion. Lorsque le liquide est détendu, sa pression et sa température baissent car il passe à l’état gazeux.
Le réfrigérant maintenant froid passe à travers un serpentin d’évaporation à l’intérieur de la caisse du réfrigérateur, absorbant la chaleur du contenu du réfrigérateur. Il est ensuite recomprimé par un compresseur alimenté par l’électricité, ce qui augmente encore sa température et sa pression et le fait passer de l’état de gaz à celui de liquide chaud.
Le liquide chaud condensé, plus chaud que l’environnement extérieur, traverse des serpentins de condensation situés à l’extérieur du réfrigérateur, rayonnant de la chaleur vers l’environnement. Le liquide retourne ensuite dans le détendeur et le cycle se répète.
Le réfrigérateur supraconducteur est similaire à un réfrigérateur conventionnel, dans la mesure où il déplace un matériau entre des réservoirs chauds et froids.
Cependant, au lieu d’un réfrigérant qui passe de l’état liquide à l’état gazeux, les électrons d’un métal passent de l’état supraconducteur apparié à l’état normal non apparié.
“Nous faisons exactement la même chose qu’un réfrigérateur traditionnel, mais avec un supraconducteur”, a déclaré Sreenath Manikandan, un étudiant diplômé de l’Université de Rochester.
Dans le réfrigérateur quantique supraconducteur, les chercheurs placent une pile de métaux en couches dans un réfrigérateur à dilution cryogénique déjà froid.
La couche inférieure de la pile est une feuille de niobium supraconducteur, qui agit comme un réservoir de chaleur, semblable à l’environnement extérieur d’un réfrigérateur traditionnel.
La couche intermédiaire est le tantale supraconducteur, qui est la substance active, semblable au réfrigérant d’un réfrigérateur traditionnel.
La couche supérieure est le cuivre, qui est le réservoir de froid, semblable à l’intérieur d’un réfrigérateur traditionnel.
Lorsque les physiciens appliquent lentement un courant électrique au niobium, ils génèrent un champ magnétique qui pénètre dans la couche intermédiaire de tantale, provoquant le désappariement de ses électrons supraconducteurs, leur transition vers leur état normal et leur refroidissement.
La couche de tantale maintenant froide absorbe la chaleur de la couche de cuivre maintenant plus chaude.
Les scientifiques désactivent ensuite lentement le champ magnétique, ce qui permet aux électrons du tantale de s’apparier et de repasser à l’état supraconducteur, et le tantale devient plus chaud que la couche de niobium. La chaleur excédentaire est alors transférée au niobium. Le cycle se répète, maintenant une basse température dans la couche supérieure de cuivre.
“C’est similaire au réfrigérant d’un réfrigérateur traditionnel, qui passe d’un cycle de froid où il est dilaté en gaz à un cycle de chaud où il est comprimé en fluide”, a déclaré Manikandan.
“Mais comme la substance active du réfrigérateur supraconducteur quantique est un supraconducteur, ce sont plutôt les paires de cuivre qui se désapparient et se refroidissent lorsqu’on applique lentement un champ magnétique à très basse température,en prenant comme base le réfrigérateur actuel de pointe et en le refroidissant encore plus.”
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Physical Review Applied.
