Κινέζοι ερευνητές αποκάλυψαν ένα νέο κράμα σπάνιων γαιών, τόσο ψυχρό και αποδοτικό, που θα μπορούσε να ανατρέψει δεκαετίες εξάρτησης από το ήλιο-3 και να προκαλέσει σεισμικές δονήσεις στον παγκόσμιο αγώνα για κβαντικούς υπολογιστές ή υπερ-ευαίσθητους ανιχνευτές.
Ένα μίνι-ψυγείο κατασκευασμένο με αυτό το κράμα κατάφερε να επιτύχει θερμοκρασίες εξαιρετικά κοντά στο απόλυτο μηδέν, χωρίς κινούμενα μέρη. Και η ανακάλυψη έρχεται σε μια κρίσιμη στιγμή, καθώς η Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνών Άμυνας (DARPA) των ΗΠΑ αναζητά ενεργά ακριβώς μια τέτοια τεχνολογία.
Στις 27 Ιανουαρίου, η DARPA εξέδωσε μια επείγουσα πρόσκληση για προτάσεις: την ανάπτυξη ενός αρθρωτού συστήματος ψύξης, απαλλαγμένου από ήλιο-3, για κβαντικές τεχνολογίες και τεχνολογίες άμυνας επόμενης γενιάς. Λιγότερο από δύο εβδομάδες αργότερα, οι Κινέζοι επιστήμονες απάντησαν, δημοσιεύοντας μια εργασία στο περιοδικό Nature.
“Το κράμα έχει τη δυνατότητα μαζικής παραγωγής. Η κοινή ομάδα ανέπτυξε πρόσφατα μια μονάδα ψύξης από καθαρό μέταλλο βασισμένη σε αυτό το υλικό κράματος”, ανέφερε η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών (CAS) στην ιστοσελίδα της στις 13 Φεβρουαρίου. “Αυτή η υψηλής απόδοσης μονάδα ψύξης θα μπορούσε να προσφέρει μια σταθερή, φορητή πηγή ψύξης για κβαντικά τσιπ και να υποστηρίξει μεγάλα έργα εξερεύνησης του διαστήματος με ένα αυτόνομο σύστημα ψύξης. Σηματοδοτεί μια ‘κινεζική λύση’ που τερματίζει την εξάρτηση από το ήλιο-3.”
Στη φυσική, η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία είναι 0 Kelvin, ή μείον 273,15 βαθμοί Κελσίου, μια κατάσταση γνωστή ως “απόλυτο μηδέν”. Καθώς τα υλικά πλησιάζουν αυτή τη θερμοκρασία, παρουσιάζουν ριζικά διαφορετικές ιδιότητες: το υγρό ήλιο χάνει την τριβή, ο υδράργυρος γίνεται υπεραγώγιμος και καθίσταται δυνατή η έρευνα αιχμής στον κβαντικό τομέα.
Επί του παρόντος, η επίτευξη τέτοιας ακραίας χαμηλής θερμοκρασίας βασίζεται κυρίως σε μια τεχνική που ονομάζεται ψύξη αραίωσης, η οποία απαιτεί ήλιο-3. Αυτό το σταθερό ισότοπο του ηλίου είναι ένας απαραίτητος πόρος που η Κίνα εισάγει σε μεγάλο βαθμό. Οι κύριες πηγές του συνδέονται με προγράμματα πυρηνικών όπλων στις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Ρωσία, καθώς και με πολιτικούς πυρηνικούς σταθμούς στον Καναδά.
Σύμφωνα με μια ερευνητική εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature στις 11 Φεβρουαρίου, η ομάδα χρησιμοποίησε μια εντελώς διαφορετική τεχνική ψύξης στερεάς κατάστασης, γνωστή ως ψύξη με αδιαβατική απαεθυντικοποίηση (ADR). Απλά, η διαδικασία περιλαμβάνει ένα μαγνητικό κράμα που τοποθετείται αρχικά σε ένα υπάρχον περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας. Η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου αναγκάζει τα αμέτρητα εσωτερικά μικροσκοπικά μαγνήτες να ευθυγραμμιστούν ομοιόμορφα, απελευθερώνοντας θερμότητα που απομακρύνεται. Όταν το κράμα απομονώνεται στη συνέχεια από το περιβάλλον και αφαιρείται το μαγνητικό πεδίο, οι εσωτερικοί μαγνήτες επιστρέφουν σε μια αταξινόμητη κατάσταση, μια διαδικασία που απορροφά θερμότητα και μειώνει περαιτέρω τη δική του θερμοκρασία του υλικού.
Ένα σημαντικό εμπόδιο σε αυτή τη διαδικασία ήταν η κακή θερμική αγωγιμότητα των παραδοσιακών υλικών. Ενώ μπορούσαν να κρυώσουν τα ίδια, δυσκολεύονταν να ψύξουν αποτελεσματικά τα περιβάλλοντα εξαρτήματα. Η συνεργαζόμενη ομάδα από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής της CAS, τα Ινστιτούτα Hefei Φυσικών Επιστημών και το Πανεπιστήμιο Jiao Tong της Σαγκάης ανακάλυψε ένα νέο υλικό, μια ένωση σπάνιων γαιών που ονομάζεται EuCo2Al9 (ECA). Διαθέτει θερμική αγωγιμότητα παρόμοια με μέταλλο, επιτρέποντάς της να διοχετεύει αποτελεσματικά το ψύχος προς τα έξω.
“Η ADR που χρησιμοποιεί ECA έχει επιτύχει ελάχιστη θερμοκρασία 106 millikelvin, θέτοντας ένα νέο ρεκόρ για μεταλλικά υλικά. Επίσης, σε τέτοιες ακραίες θερμοκρασίες, η θερμική της αγωγιμότητα είναι μία έως δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερη από τα παραδοσιακά υλικά μαγνητικής ψύξης, ξεπερνώντας το βασικό σημείο συμφόρησης της αναποτελεσματικής εξαγωγής της ψυκτικής ισχύος”, σύμφωνα με την ακαδημία.
Η μέθοδος ADR, η οποία εξαλείφει την ανάγκη για ήλιο-3, κερδίζει έδαφος στον ακαδημαϊκό κόσμο. Το 2024, το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου κατασκεύασε δύο “ψυγεία” χρησιμοποιώντας αυτή την αρχή για την έρευνα κβαντικών υπολογιστών, τα οποία λειτουργούν σταθερά εδώ και αρκετούς μήνες. Η ελαφριά φορητότητα αναμένεται να είναι ένα βασικό πλεονέκτημα της μονάδας ψύξης ECA. Η φετινή κυβερνητική έκθεση εργασίας της Κίνας αναφέρει τον στόχο της “καλλιέργειας και ανάπτυξης της βιομηχανίας κβαντικής τεχνολογίας”. Επί του παρόντος, οι υπεραγώγιμοι κβαντικοί υπολογιστές απαιτούν τεράστια ψυγεία αραίωσης για να ψύχουν τα τσιπ τους σε θερμοκρασίες κάτω του Kelvin. Στο μέλλον, μια πιο φορητή μονάδα ψύξης σαν αυτή θα μπορούσε να είναι ουσιαστική για την κατασκευή μικρότερων, πιο συμπαγών κβαντικών υπολογιστών.
