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  Physics Review Applied ,  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 absolutas (aproximadamente 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.


Diseño original del refrigerador cuántico. Ilustraciones de la Universidad de Rochester technology.org

¿Qué es la superconductividad?

En qué medida un material conduce la electricidad se conoce como conductividad. Cuando un material tiene una alta conductividad, fácilmente permite que una corriente eléctrica fluya a través de él. Los metales, por ejemplo, son buenos conductores, mientras que la madera, o el blindaje envuelto alrededor de los cables metálicos, son aislantes. Pero, aunque los cables metálicos son buenos conductores, aún encuentran resistencia debido a la fricción.

En un escenario ideal, un material conduciría electricidad sin encontrar resistencia; es decir, llevaría una corriente indefinidamente sin perder ninguna energía. Esto es precisamente lo que pasa con un superconductor.

«Cuando enfrías un sistema a temperaturas extremas, los electrones entran en un estado cuántico en el que se comportan más como un fluido colectivo que fluye sin resistencia», dice Manikandan. «Esto se logra mediante electrones en un superconductor formando pares, conocidos como pares cooper, 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 algo gradual, es algo abrupto; de repente, la resistencia se reduce a cero y la transición de fase ocurre», dice Jordan. «Un práctico refrigerador superconductor, que yo sepa, no se ha hecho en absoluto».

Funcionamiento de un refrigerador común. Ilustraciones de la Universidad de Rochester technology.org

Similitudes con un refrigerador tradicional

El refrigerador cuántico superconductor utiliza los principios de la superconductividad para operar y generar un ambiente ultra frío. El ambiente frío es propicio para generar los efectos cuánticos requeridos para mejorar las tecnologías cuánticas. El refrigerador cuántico superconductor crearía un entorno en el que los investigadores podrían cambiar los materiales a un estado superconductor, similar a cambiar un material a gas, líquido o sólido.

Si bien los refrigeradores cuánticos superconductores no serían para uso en la cocina de una persona, los principios operativos son muy similares a los refrigeradores tradicionales, dice Jordan. «Lo que su refrigerador de cocina tiene en común con nuestros refrigeradores superconductores es que utiliza una transición de fase para obtener una potencia de enfriamiento».

Si vas a tu cocina y te paras junto a tu refrigerador, notarás que hace frío en el interior, pero cálido en la parte traseraUn refrigerador convencional no funciona al enfriar su contenido, sino al eliminar el calorLo hace moviendo un fluido, el refrigerante, entre depósitos fríos y calientes, y cambiando su estado de líquido a gas.

«Los refrigeradores no producen 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 descienden a medida que pasa a un estado gaseoso. El refrigerante ahora frío pasa a través de un serpentín evaporador en el interior de la caja del refrigerador, absorbiendo el calor del contenido del refrigerador. Luego es comprimido nuevamente por un compresor alimentado por electricidad, que aumenta su temperatura y presión aún más y lo convierte de gas a líquido caliente. El líquido caliente condensado, más caliente que el ambiente exterior, fluye a través de las bobinas del condensador en el exterior del refrigerador, irradiando calor al ambiente. 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 estado superconductor emparejado a un estado normal no emparejado.

«Estamos haciendo exactamente lo mismo que un refrigerador tradicional, pero con un superconductor», dice Manikandan.

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El funcionamiento interno de un refrigerador cuántico superconductor.

En el refrigerador superconductor cuántico, los investigadores colocan una pila de metales en capas en un refrigerador de dilución criogénica ya frío:

  • La capa inferior de la pila es una lámina del superconductor de niobio, que actúa como un depósito caliente, similar al entorno exterior 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, lo que hace que los electrones superconductores se desplacen, pasen a su estado normal y se enfríen. La capa de tantalio ahora fría absorbe el calor de la capa de cobre ahora más caliente. Luego, los investigadores apagan lentamente el campo magnético, lo que provoca que los electrones en el tantalio se emparejen y pasen de nuevo a un estado superconductor, y el tantalio se calienta más que la capa de niobio. El exceso de calor se transfiere al niobio. El ciclo se repite, manteniendo una baja temperatura en la capa superior de cobre.

Esto es similar al refrigerante en un refrigerador tradicional, pasando 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 los pares de cobre los que se desajustan y se enfrían cuando aplica un campo magnético lentamente a temperaturas muy bajas, tomando el refrigerador actual de última generación como un línea de base y enfriándolo aún más «, dice Manikandan.

Mientras usa el refrigerador de su cocina para almacenar leche y verduras, ¿qué podría poner un investigador en un refrigerador cuántico superconductor?

«Usted utiliza un refrigerador de cocina para enfriar su comida», dice Jordan. “Pero este es un refrigerador súper, súper frío”. En lugar de almacenar alimentos, el refrigerador cuántico superconductor se podría usar para almacenar cosas como los qubits, las unidades básicas de las computadoras cuánticas, colocándolos sobre la pila de metales. Los investigadores también podrían usar la nevera para enfriar los sensores cuánticos, que miden la luz de manera muy eficiente y son útiles para estudiar estrellas y otras galaxias y podrían usarse para desarrollar imágenes de tejidos profundos más eficientes en las máquinas de IRM.

«Es realmente increíble pensar cómo funciona esto. Básicamente, todo es tomar energía y convertirla en un calor transformador «.

Fuente: https://www.technology.org/2019/06/04/researchers-develop-superconducting-quantum-refrigerator/


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