El frigorífico superconductor es similar a un frigorífico convencional, porque mueve un material entre depósitos fríos y calientes. Sin embargo, en lugar de un refrigerante que cambia de estado líquido a gas, los electrones de un metal cambian del estado superconductor apareado a un estado normal no apareado. Crédito:Ilustración de la Universidad de Rochester / Michael Osadciw
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 Revisión física aplicada , Andrew Jordan, profesor de física en la Universidad de Rochester, y su estudiante de posgrado Sreenath Manikandan, junto con su colega Francesco Giazotto de NEST Istituto Nanoscienze-CNR y Scuola Normale Superiore en Italia, he concebido una idea para un frigorífico de este tipo, que enfriaría los átomos a temperaturas casi de cero absoluto (alrededor de menos 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 sensores cuánticos o circuitos para computadoras cuánticas ultrarrápidas.
¿Qué es la superconductividad?
Qué tan bien un material conduce la electricidad se conoce como conductividad. Cuando un material tiene alta conductividad, permite fácilmente que fluya una corriente eléctrica a través de él. Rieles, por ejemplo, son buenos conductores, mientras que la madera, o el blindaje envuelto alrededor de alambres metálicos, son aislantes. Pero, mientras que los alambres de metal son buenos conductores, todavía encuentran resistencia debido a la fricción.
En un escenario ideal, un material conduciría la electricidad sin encontrar resistencia; es decir, llevaría una corriente indefinidamente sin perder energía. Esto es precisamente lo que sucede con un superconductor.
"Cuando enfría un sistema a temperaturas extremas, los electrones entran en un estado cuántico donde se comportan más como un fluido colectivo que fluye sin resistencia, "Dice Manikandan." Esto se logra mediante electrones en un superconductor que forma pares, conocidos como pares de cobre, a temperaturas muy bajas ".
Los investigadores creen que todos los metales pueden convertirse en superconductores si se enfrían lo suficiente, 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 cae como una roca a cero y se produce una transición de fase, ", Dice Jordan." Un práctico frigorífico superconductor, por lo que sé, no se ha hecho en absoluto ".
Similitudes con un refrigerador tradicional
El refrigerador cuántico superconductor utiliza los principios de la superconductividad para operar y generar un ambiente ultrafrío. El ambiente frío entonces es propicio para generar los efectos cuánticos necesarios 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 usar en la cocina de una persona, los principios de funcionamiento son bastante similares a los refrigeradores tradicionales, Jordan dice. "Lo que el refrigerador de su 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 por dentro, pero caliente en la parte de atrás. Un frigorífico convencional no funciona enfriando su contenido, pero quitando el calor. Para ello, mueve un fluido, el refrigerante, entre los depósitos fríos y calientes, y cambiar su estado de líquido a gas.
"Los refrigeradores no crean 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 frigorífico convencional, el refrigerante en estado líquido pasa a través de una válvula de expansión. Cuando el líquido se expande, su presión y temperatura caen 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 frigorífico. Luego se vuelve a comprimir mediante un compresor alimentado por electricidad, elevando aún más su temperatura y presión y convirtiéndola 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 frigorífico, Irradiando calor al medio ambiente. Luego, el líquido vuelve a entrar en la válvula de expansión y el ciclo se repite.
El frigorífico superconductor es similar a un frigorífico convencional, porque mueve un material entre depósitos fríos y calientes. Sin embargo, en lugar de un refrigerante que cambia de estado líquido a gas, los electrones de un metal cambian del estado superconductor apareado a un estado normal no apareado.
"Estamos haciendo exactamente lo mismo que un frigorífico tradicional, pero con un superconductor, "Dice Manikandan.
El funcionamiento interno de un refrigerador cuántico superconductor
En el refrigerador cuántico superconductor, Los investigadores colocan una pila de metales en capas en un ya frío, Refrigerador de dilución criogénica:
Cuando los investigadores aplican lentamente una corriente eléctrica al niobio, generan un campo magnético que penetra en la capa media de tantalio, haciendo que sus electrones superconductores se desvíen, transición a su estado normal, y enfriar. La capa de tantalio ahora fría absorbe el calor de la capa de cobre ahora más cálida. Luego, los investigadores apagan lentamente el campo magnético, haciendo que los electrones en el tántalo se emparejen y vuelvan a un estado superconductor, y el tantalio se calienta más que la capa de niobio. Luego, el exceso de calor se transfiere al niobio. El ciclo se repite manteniendo una temperatura baja en la capa superior de cobre.
Esto es similar al refrigerante en un refrigerador tradicional, pasando de ciclos de frío donde se expande en 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, "En cambio, son los pares de cobre los que se desvinculan y se enfrían cuando se aplica un campo magnético lentamente a temperaturas muy bajas, tomando el refrigerador actual de última generación como referencia y enfriándolo aún más, "Dice Manikandan.
Mientras usa el refrigerador de su cocina para almacenar leche y verduras, ¿Qué podría poner un investigador en una nevera cuántica superconductora?
"Usas el refrigerador de la cocina para enfriar la comida, "Dice Jordan." Pero este es un super, refrigerador súper frío ". En lugar de almacenar alimentos, el refrigerador cuántico superconductor podría usarse para almacenar cosas como qubits, las unidades básicas de las computadoras cuánticas, colocándolos encima de la pila de metales. Los investigadores también podrían usar el refrigerador para enfriar 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 tejido profundo más eficientes en máquinas de resonancia magnética.
"Es realmente asombroso pensar en cómo funciona esto. Básicamente, se trata de tomar energía y convertirla en calor transformador".
