Immagina un frigorifero così freddo da trasformare gli atomi nei loro stati quantistici, conferendo loro proprietà uniche che sfidano le regole della fisica classica.

In un articolo pubblicato su Revisione fisica applicata , Andrea Giordano, professore di fisica all'Università di Rochester, e il suo studente laureato Sreenath Manikandan, insieme al loro collega Francesco Giazotto del NEST Istituto Nanoscienze-CNR e della Scuola Normale Superiore in Italia, hanno concepito un'idea per un tale frigorifero, che raffredderebbe gli atomi a temperature quasi dello zero assoluto (circa meno 459 gradi Fahrenheit). Gli scienziati potrebbero usare il frigorifero, che si basa sulla proprietà quantistica della superconduttività, per facilitare e migliorare le prestazioni di sensori o circuiti quantistici per computer quantistici ultraveloci.

Che cos'è la superconduttività?

Il modo in cui un materiale conduce l'elettricità è noto come conduttività. Quando un materiale ha un'elevata conduttività, consente facilmente a una corrente elettrica di fluire attraverso di esso. metalli, ad esempio, sono buoni conduttori, mentre il legno, o la schermatura avvolta intorno ai fili metallici, sono isolanti. Ma, mentre i fili metallici sono buoni conduttori, incontrano ancora resistenza a causa dell'attrito.

In uno scenario ideale, un materiale condurrebbe elettricità senza incontrare resistenza; questo è, porterebbe una corrente indefinitamente senza perdere energia. Questo è esattamente ciò che accade con un superconduttore.

"Quando si raffredda un sistema a temperature estreme, gli elettroni entrano in uno stato quantico dove si comportano più come un fluido collettivo che scorre senza resistenza, " Manikandan dice. "Ciò è ottenuto dagli elettroni in un superconduttore che formano coppie, note come coppie di bottai, a temperature molto basse».

I ricercatori ritengono che tutti i metalli possano diventare superconduttori se resi abbastanza freddi, ma ogni metallo ha una diversa "temperatura critica" alla quale la sua resistenza scompare.

"Quando raggiungi questa temperatura magica, e non è una cosa graduale, è una cosa improvvisa:improvvisamente la resistenza scende come una roccia a zero e c'è una transizione di fase che accade, " dice Jordan. "Un pratico frigorifero superconduttore, per quanto ne so, non è stato fatto affatto".

Somiglianze con un frigorifero tradizionale

Il frigorifero quantistico superconduttore utilizza i principi della superconduttività per operare e generare un ambiente ultra freddo. L'ambiente freddo quindi favorisce la generazione degli effetti quantistici necessari per migliorare le tecnologie quantistiche. Il frigorifero quantistico superconduttore creerebbe un ambiente in cui i ricercatori potrebbero trasformare i materiali in uno stato superconduttore, simile a trasformare un materiale in un gas, liquido, o solido.

Mentre i frigoriferi quantistici superconduttori non dovrebbero essere utilizzati nella cucina di una persona, i principi di funzionamento sono del tutto simili ai frigoriferi tradizionali, dice Giordano. "Ciò che il tuo frigorifero da cucina ha in comune con i nostri frigoriferi superconduttori è che utilizza una transizione di fase per ottenere una potenza di raffreddamento".

Se vai in cucina e stai vicino al frigorifero noterai che è freddo all'interno, ma caldo sul retro. Un frigorifero convenzionale non funziona raffreddando il suo contenuto, ma togliendo calore. Lo fa spostando un fluido, il refrigerante, tra serbatoi caldi e freddi, e cambiando il suo stato da liquido a gassoso.

"I frigoriferi non creano il freddo dal nulla, "Dice Jordan. "C'è un principio di conservazione dell'energia. Il calore è un tipo di energia, quindi il frigorifero prende il calore da una regione dello spazio e lo porta in un'altra regione."

In un frigorifero convenzionale, il refrigerante allo stato liquido passa attraverso una valvola di espansione. Quando il liquido si espande, la sua pressione e temperatura diminuiscono quando passa allo stato gassoso. Il refrigerante ormai freddo passa attraverso una serpentina dell'evaporatore all'interno della scatola frigo, assorbendo calore dal contenuto del frigorifero. Viene poi ricompresso da un compressore alimentato da energia elettrica, innalzandone ulteriormente la temperatura e la pressione e trasformandolo da gas a liquido caldo. Il liquido caldo condensato, più caldo dell'ambiente esterno, scorre attraverso le batterie del condensatore all'esterno del frigorifero, irradiando calore all'ambiente. Il liquido rientra quindi nella valvola di espansione e il ciclo si ripete.

Il frigorifero superconduttore è simile a un frigorifero convenzionale, in quanto muove un materiale tra serbatoi caldi e freddi. Però, invece di un refrigerante che passa dallo stato liquido allo stato gassoso, gli elettroni in un metallo cambiano dallo stato superconduttore accoppiato a uno stato normale spaiato.

"Stiamo facendo esattamente la stessa cosa di un frigorifero tradizionale, ma con un superconduttore, "Dice Manikandan.

Il funzionamento interno di un frigorifero quantistico superconduttore

Nel frigorifero quantico superconduttore, i ricercatori collocano una pila a strati di metalli in un ambiente già freddo, frigorifero a diluizione criogenica:

• Lo strato inferiore della pila è un foglio di niobio superconduttore, che funge da serbatoio caldo, simile all'ambiente esterno a un frigorifero tradizionale
• Lo strato intermedio è il tantalio superconduttore, che è la sostanza operante, simile al refrigerante in un frigorifero tradizionale
• Lo strato superiore è di rame, che è il serbatoio del freddo, simile all'interno di un frigorifero tradizionale

Quando i ricercatori applicano lentamente una corrente di elettricità al niobio, generano un campo magnetico che penetra nello strato intermedio di tantalio, causando il disaccoppiamento dei suoi elettroni superconduttori, passaggio al loro stato normale, e raffreddare. Lo strato di tantalio ora freddo assorbe calore dallo strato di rame ora più caldo. I ricercatori poi spengono lentamente il campo magnetico, facendo sì che gli elettroni nel tantalio si accoppiano e tornino in uno stato superconduttore, e il tantalio diventa più caldo dello strato di niobio. Il calore in eccesso viene quindi trasferito al niobio. Il ciclo si ripete, mantenendo una bassa temperatura nello strato di rame superiore.

Questo è simile al refrigerante in un frigorifero tradizionale, passando da cicli di freddo dove si espande in un gas e caldo dove viene compresso in un fluido. Ma poiché la sostanza funzionante nel frigorifero superconduttore quantistico è un superconduttore, "sono invece le coppie di rame che si disaccoppiano e si raffreddano quando si applica lentamente un campo magnetico a temperature molto basse, prendendo l'attuale frigorifero all'avanguardia come base e raffreddandolo ancora di più, "Dice Manikandan.

Mentre usi il frigorifero della cucina per conservare latte e verdure, cosa potrebbe mettere un ricercatore in un frigorifero quantistico superconduttore?

"Usi un frigorifero da cucina per raffreddare il cibo, " dice Jordan. "Ma questo è un super, frigorifero super freddo." Invece di conservare il cibo, il frigorifero quantistico superconduttore potrebbe essere usato per immagazzinare cose come qubit, le unità di base dei computer quantistici, posizionandoli sopra la pila di metalli. I ricercatori potrebbero anche usare il frigorifero per raffreddare i sensori quantistici, che misurano la luce in modo molto efficiente e sono utili nello studio di stelle e altre galassie e potrebbero essere utilizzati per sviluppare immagini dei tessuti profondi più efficienti nelle macchine per la risonanza magnetica.

"È davvero fantastico pensare a come funziona. Fondamentalmente si tratta di prendere energia e convertirla in calore trasformativo".