O grande frio quântico:os cientistas modificam o refrigerador comum de laboratório para esfriar mais rápido e com menos energia
Ilustração de um refrigerador de tubo pulsado. Crédito:S. Kelley/NIST Ao modificar um refrigerador comumente usado tanto na pesquisa quanto na indústria, os pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) reduziram drasticamente o tempo e a energia necessários para resfriar materiais alguns graus acima do zero absoluto.
Os cientistas dizem que o seu protótipo, que estão agora a trabalhar para comercializar com um parceiro industrial, poderia poupar anualmente cerca de 27 milhões de watts de energia, 30 milhões de dólares em consumo global de electricidade e água de refrigeração suficiente para encher 5.000 piscinas olímpicas.
Desde a estabilização de qubits (a unidade básica de informação em um computador quântico) até a manutenção das propriedades supercondutoras dos materiais e a manutenção do Telescópio Espacial James Webb da NASA frio o suficiente para observar os céus, a refrigeração ultrafria é essencial para a operação de muitos dispositivos e sensores. Durante décadas, o refrigerador de tubo de pulso (PTR) tem sido o dispositivo robusto para atingir temperaturas tão frias quanto o vácuo do espaço sideral.
Esses refrigeradores comprimem (aquecem) e expandem (resfriam) ciclicamente o gás hélio de alta pressão para atingir o "Big Chill", amplamente análogo ao modo como um refrigerador doméstico usa a transformação do freon de líquido em vapor para remover o calor. Por mais de 40 anos, o PTR provou sua confiabilidade, mas também consome muita energia, consumindo mais eletricidade do que qualquer outro componente de um experimento de temperatura ultrabaixa.
Quando o pesquisador do NIST Ryan Snodgrass e seus colegas examinaram mais de perto o refrigerador, descobriram que os fabricantes construíram o dispositivo para ser eficiente em termos energéticos apenas em sua temperatura operacional final de 4 Kelvin (K), ou 4 graus acima do zero absoluto. A equipa descobriu que estes frigoríficos são extremamente ineficientes a temperaturas mais elevadas – um grande problema porque o processo de arrefecimento começa à temperatura ambiente. As animações mostram uma versão simplificada de um refrigerador de tubo de pulso (PTR), comumente usado para resfriar materiais a alguns graus acima do zero absoluto por comprimir e expandir o gás hélio mantido sob alta pressão. Os pesquisadores do NIST otimizaram a eficiência do PTR, reduzindo drasticamente a quantidade de tempo e energia necessária para atingir temperaturas ultrafrias, ajustando continuamente a válvula que conecta o tubo de pulso a um reservatório de gás hélio. Crédito:S. Kelley/NIST Durante uma série de experimentos, Snodgrass, junto com os cientistas do NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo e Scott Backhaus, descobriram que, à temperatura ambiente, o gás hélio estava sob uma pressão tão alta que parte dele era desviada através de uma válvula de alívio em vez de ser usada. para resfriamento. Ao alterar as conexões mecânicas entre o compressor e o refrigerador, a equipe garantiu que nenhum hélio seria desperdiçado, melhorando muito a eficiência do refrigerador.
Em particular, os investigadores ajustaram continuamente uma série de válvulas que controlam a quantidade de gás hélio que flui do compressor para o frigorífico. Os cientistas descobriram que se permitissem que as válvulas tivessem uma abertura maior à temperatura ambiente e depois as fechassem gradualmente à medida que o arrefecimento prosseguisse, poderiam reduzir o tempo de arrefecimento para entre metade e um quarto do que é agora.
Atualmente, os cientistas devem esperar um dia ou mais para que os novos circuitos quânticos estejam frios o suficiente para serem testados. Uma vez que o progresso da investigação científica pode ser limitado pelo tempo necessário para atingir temperaturas criogénicas, o arrefecimento mais rápido proporcionado por esta tecnologia poderá impactar amplamente muitos campos, incluindo a computação quântica e outras áreas da investigação quântica.
A tecnologia desenvolvida pela equipe do NIST também poderia permitir que os cientistas substituíssem grandes refrigeradores de tubos pulsados por outros muito menores, que exigem menos infraestrutura de suporte, disse Snodgrass.
A necessidade destes frigoríficos aumentará enormemente à medida que a investigação em computação quântica, juntamente com a sua dependência da tecnologia criogénica, continuar a crescer. O PTR modificado economizaria muito mais dinheiro, energia elétrica e água de resfriamento. Além de apoiar uma economia quântica florescente, o dispositivo também aceleraria a pesquisa porque os cientistas não teriam mais que esperar dias ou semanas para que os qubits e outros componentes quânticos esfriem.
O artigo foi publicado na revista Nature Communications .
