Syväjäähdytystä spin-superkiinteällä metallilla

Erittäin matalan lämpötilan ympäristöt (alle 1 kelvin eli -272,15 °C) ovat välttämättömiä kvanttilaskennalle, tarkkuusmittauksille ja kvanttiainetutkimuksille.

Tällä hetkellä valtavirran laimennusjäähdytystekniikka alle kelvinin jäähdytyksessä perustuu vahvasti helium-3:een. Tämä riippuvuus on keskeinen rajoittava tekijä kvanttiteknologioiden ja muiden erittäin matalan lämpötilan ympäristöjä vaativien alojen kehittämiselle.

Kiinan tiedeakatemian (CAS) Hefein fysikaalisten tieteiden instituuttien, CASin teoreettisen fysiikan instituutin ja Shanghain Jiao Tong -yliopiston tutkijat ovat nyt ensimmäistä kertaa esitelleet metallipohjaisen jäähdytysstrategian, joka ei ole riippuvainen maailmanlaajuisesti harvinaisesta helium-3-isotoopista.

Sen odotetaan tarjoavan omavaraisen ja hallittavan "superjääkaapin", joka on ratkaisevan tärkeä pioneerikvanttiteknologioiden edistämiselle.

Helium-3-vapaat kiinteän olomuodon jäähdytystekniikat, kuten adiabaattinen demagnetisointijäähdytys, ovat jo pitkään kohdanneet perustavanlaatuisen haasteen: Ydinmateriaaleilla on taipumus huonoon lämmönjohtavuuteen – aivan kuten "puupalikka", joka pysyy sisäisesti kylmänä, mutta ei pysty nopeasti haihduttamaan lämpöä.

Tämä johtaa rajalliseen jäähdytystehoon. Mutta ihanteellisen magnetokalorisen materiaalin on yhdistettävä korkea jäähdytyskapasiteetti nopeaan lämmönsiirtoon, mikä on analoginen metallin ominaisuuksien kanssa – keskeinen haaste, jota ei ole tähän mennessä ratkaistu.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat suunnittelivat ja syntetisoivat uuden kolmiulotteisen seoksen. Kokeissa tällä materiaalilla oli merkittävä tila, joka tunnetaan metallisena spin-superkiinteänä aineena, jossa yhdistyvät kaksi näennäisesti ristiriitaista ominaisuutta.

Se toimii tehokkaana "lämpöä absorboivana sienenä", joka käyttää magnetolämpövaikutusta jäähdyttääkseen sen 106 millikelviniin (noin -273,05 °C), alimpaan lämpötilaan, jonka metalli-magnetolämpöinen materiaali on saavuttanut ilman helium-3:a.

Samalla sen lämmönjohtavuus on 50–100 kertaa suurempi kuin perinteisillä magnetokalorisilla materiaaleilla. Tämä yhdistelmä mahdollistaa materiaalin sekä jäähdytyksen että lämmön välittömän haihduttamisen.

Tämä työ merkitsee paradigman muutosta spin-superkiinteiden aineiden tutkimuksessa, siirtäen sitä perustutkimuksesta kohti käytännön sovelluksia.

Aiheesta aiemmin:

Ennätysmäistä kvanttijäähdytystä kvanttitietokoneille