據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員展示了他們最新研制的一款固態(tài)量子冰箱，這款制冷機(jī)利用了微型和納米結(jié)構(gòu)的量子物理學(xué)原理，可將一個比自身體積大得多的物體冷卻到極其低的溫度。
“這是我見過的最讓人吃驚的結(jié)果之一。”項目負(fù)責(zé)人喬爾·烏洛姆說，“我們利用納米結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)來冷卻銅塊，而銅幾乎是這種制冷元件重量的100萬倍。這是納米或微電機(jī)裝置可用來操縱宏觀世界的一個罕見例子。”
更重要的是，這款量子冰箱原型的外形尺寸不過幾英寸（1英寸=2.54厘米）大小，研究人員可以將任何合適的物體放置在制冷區(qū)，待冷卻好以后再取走，使用方式與通用的廚房冰箱別無二樣。其冷卻能力卻與一臺能為林肯紀(jì)念堂（占地約2000多平方米）這樣規(guī)模的建筑物降溫的窗式空調(diào)相當(dāng)。
這項技術(shù)有望提供一個緊湊、便利的制冷方式，使先進(jìn)傳感器的溫度能夠低于標(biāo)準(zhǔn)的低溫學(xué)溫度——300毫開爾文（MK），從而提高其性能，以用于量子信息系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡攝像機(jī)或?qū)ふ疑衩氐陌滴镔|(zhì)和暗能量。而在以往，這樣的低溫條件通常要使用液態(tài)氦才能制造出來。
據(jù)發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》上的論文描述，這款量子冰箱的制冷元件由48個利用特定材料制成的微小“三明治”組成，可以將一塊邊長2.5厘米、厚3毫米的銅板從290毫開爾文冷卻到256毫開爾文，制冷過程歷時約18小時。
制冷元件中的“三明治”結(jié)構(gòu)為一層普通金屬、一層1納米厚的絕緣層和一層超導(dǎo)金屬。當(dāng)施加電壓時，最熱的電子會從普通金屬層經(jīng)過絕緣體層“隧穿”到超導(dǎo)金屬層。普通金屬層的溫度急劇下降，從而耗盡被冷卻物體的電子能量和振動能量，達(dá)到制冷效果。
該研究團(tuán)隊此前已經(jīng)演示過這種基本的冷卻方法，但現(xiàn)在已能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于冷卻較大的物體。并且，他們開發(fā)了一種顯微機(jī)械加工工藝，可以將冷卻元件“貼”在銅板或其他物體上，制冷完畢后又能夠方便地移除。
目前，將溫度降低至低于300毫開爾文需要復(fù)雜、龐大而昂貴的設(shè)備。研究人員希望以此建造更為簡單、緊湊的替代品，以便更容易地為先進(jìn)傳感器降溫。