Imagine uma geladeira tão fria que poderia transformar átomos em seus estados quânticos, dando-lhes propriedades únicas que desafiam as regras da física clássica.

Em um artigo publicado em Revisão Física Aplicada , Andrew Jordan, professor de física da Universidade de Rochester, e seu aluno de pós-graduação Sreenath Manikandan, junto com seu colega Francesco Giazotto do NEST Istituto Nanoscienze-CNR e Scuola Normale Superiore na Itália, concebeu uma ideia para tal geladeira, que resfriaria os átomos a temperaturas quase absolutas de zero (cerca de 459 graus Fahrenheit negativos). Os cientistas podem usar a geladeira, que se baseia na propriedade quântica da supercondutividade, para facilitar e aprimorar o desempenho de sensores ou circuitos quânticos para computadores quânticos ultrarrápidos.

O que é supercondutividade?

O quão bem um material conduz eletricidade é conhecido como condutividade. Quando um material tem alta condutividade, ele prontamente permite que uma corrente elétrica flua através dele. Metais, por exemplo, são bons condutores, enquanto a madeira, ou a blindagem enrolada em fios de metal, são isolantes. Mas, enquanto os fios de metal são bons condutores, eles ainda encontram resistência devido ao atrito.

Em um cenário ideal, um material conduziria eletricidade sem encontrar resistência; isso é, carregaria uma corrente indefinidamente sem perder energia. Isso é exatamente o que acontece com um supercondutor.

"Quando você resfria um sistema a temperaturas extremas, os elétrons entram em um estado quântico onde se comportam mais como um fluido coletivo que flui sem resistência, "Manikandan diz." Isso é conseguido por elétrons em um supercondutor formando pares, conhecidos como pares cooper, em temperaturas muito baixas. "

Os pesquisadores acreditam que todos os metais podem se tornar supercondutores se forem frios o suficiente, mas cada metal tem uma "temperatura crítica" diferente, na qual sua resistência desaparece.

"Quando você atinge essa temperatura mágica - e não é uma coisa gradual, é uma coisa abrupta - de repente, a resistência cai como uma pedra até zero e ocorre uma transição de fase, "Jordan diz." Um prático refrigerador supercondutor, até onde sei, não foi feito de todo. "

Semelhanças com uma geladeira tradicional

O refrigerador quântico supercondutor usa os princípios da supercondutividade para operar e gerar um ambiente ultra-frio. O ambiente frio, então, é propício para gerar os efeitos quânticos necessários para aprimorar as tecnologias quânticas. O refrigerador quântico supercondutor criaria um ambiente pelo qual os pesquisadores poderiam transformar materiais em um estado supercondutor - semelhante a transformar um material em um gás, líquido, ou sólido.

Embora os refrigeradores quânticos supercondutores não sejam para uso na cozinha de uma pessoa, os princípios operacionais são bastante semelhantes aos refrigeradores tradicionais, Jordan diz. "O que o refrigerador da sua cozinha tem em comum com os nossos refrigeradores supercondutores é que ele usa uma transição de fase para obter energia de resfriamento."

Se você for para a cozinha e ficar ao lado da geladeira, vai notar que está frio por dentro, mas quente na parte de trás. Uma geladeira convencional não funciona tornando seu conteúdo frio, mas removendo o calor. Ele faz isso movendo um fluido - o refrigerante - entre os reservatórios quentes e frios, e mudando seu estado de líquido para gás.

"As geladeiras não criam frio do nada, "Jordan diz." Há um princípio de conservação de energia. O calor é um tipo de energia, então a geladeira pega o calor de uma região do espaço e leva para outra região. "

Em uma geladeira convencional, o refrigerante no estado líquido passa por uma válvula de expansão. Quando o líquido é expandido, sua pressão e temperatura caem à medida que passa para o estado gasoso. O refrigerante agora frio passa por uma serpentina do evaporador no interior da caixa do refrigerador, absorvendo o calor do conteúdo da geladeira. É então comprimido novamente por um compressor movido a eletricidade, aumentando sua temperatura e pressão ainda mais e transformando-o de um gás em um líquido quente. O líquido quente condensado, mais quente do que o ambiente externo, flui através das bobinas do condensador na parte externa da geladeira, irradiando calor para o meio ambiente. O líquido então entra novamente na válvula de expansão e o ciclo se repete.

O refrigerador supercondutor é semelhante a um refrigerador convencional, na medida em que move um material entre reservatórios quentes e frios. Contudo, em vez de um refrigerante que muda de um estado líquido para um gás, os elétrons em um metal mudam do estado supercondutor emparelhado para um estado normal desemparelhado.

"Estamos fazendo exatamente a mesma coisa que uma geladeira tradicional, mas com um supercondutor, "Manikandan diz.

O funcionamento interno de um refrigerador quântico supercondutor

No refrigerador quântico supercondutor, pesquisadores colocam uma pilha em camadas de metais em um ambiente já frio, refrigerador de diluição criogênica:

• A camada inferior da pilha é uma folha de nióbio supercondutor, que atua como um reservatório quente, semelhante ao ambiente fora de uma geladeira tradicional
• A camada do meio é o tântalo supercondutor, que é a substância de trabalho, semelhante ao refrigerante em uma geladeira tradicional
• A camada superior é de cobre, que é o reservatório de frio, semelhante ao interior de uma geladeira tradicional

Quando os pesquisadores lentamente aplicam uma corrente de eletricidade ao nióbio, eles geram um campo magnético que penetra na camada média de tântalo, fazendo com que seus elétrons supercondutores se desemparelhem, transição para seu estado normal, e esfrie. A camada de tântalo, agora fria, absorve o calor da camada de cobre, agora mais quente. Os pesquisadores então desligam lentamente o campo magnético, fazendo com que os elétrons no tântalo emparelhem e transicionem de volta para um estado supercondutor, e o tântalo se torna mais quente do que a camada de nióbio. O excesso de calor é então transferido para o nióbio. O ciclo se repete, manter uma temperatura baixa na camada superior de cobre.

Isso é semelhante ao refrigerante em uma geladeira tradicional, transição de ciclos de frio, onde é expandido em um gás, e quente, onde é comprimido em um fluido. Mas porque a substância de trabalho no refrigerador supercondutor quântico é um supercondutor, "são, em vez disso, os pares de cobre que desemparelham e ficam mais frios quando você aplica um campo magnético lentamente em temperaturas muito baixas, tomando o atual refrigerador de última geração como base e resfriando-o ainda mais, "Manikandan diz.

Enquanto você usa a geladeira da cozinha para armazenar leite e vegetais, o que um pesquisador poderia colocar em uma geladeira quântica supercondutora?

"Você usa uma geladeira de cozinha para resfriar sua comida, "Jordan diz." Mas este é um super, refrigerador superfrio. "Em vez de armazenar alimentos, o refrigerador quântico supercondutor poderia ser usado para armazenar coisas como qubits, as unidades básicas de computadores quânticos, colocando-os no topo da pilha de metais. Os pesquisadores também podem usar a geladeira para resfriar sensores quânticos, que medem a luz de forma muito eficiente e são úteis no estudo de estrelas e outras galáxias e podem ser usados ​​para desenvolver imagens de tecidos profundos mais eficientes em máquinas de ressonância magnética.

“É realmente incrível pensar sobre como isso funciona. Basicamente, tudo está pegando energia e convertendo-a em um calor transformador”.