據物理學家組織網近日報道，美國國家標準與技術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，這款制冷機利用了微型和納米結構的量子物理學原理，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果之一。”項目負責人喬爾·烏洛姆說，“我們利用納米結構的量子力學來冷卻銅塊，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相當。
這項技術有望提供一個緊湊、便利的制冷方式，使先進傳感器的溫度能夠低于標準的低溫學溫度——300毫開爾文（MK），從而提高其性能，以用于量子信息系統(tǒng)、望遠鏡攝像機或尋找神秘的暗物質和暗能量。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。
據發(fā)表在《應用物理快報》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”結構為一層普通金屬、一層1納米厚的絕緣層和一層超導金屬。當施加電壓時，最熱的電子會從普通金屬層經過絕緣體層“隧穿”到超導金屬層。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，達到制冷效果。
該研究團隊此前已經演示過這種基本的冷卻方法，但現(xiàn)在已能夠將其應用于冷卻較大的物體。并且，他們開發(fā)了一種顯微機械加工工藝，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毫開爾文需要復雜、龐大而昂貴的設備。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傳感器降溫。