新固态量子冰箱可将比自身大得多的物体冷却至极低温度

据物理学家组织网近日报道，美国国家标准与技术研究院的研究人员展示了他们最新研制的一款固态量子冰箱，这款制冷机利用了微型和纳米结构的量子物理学原理，可将一个比自身体积大得多的物体冷却到极其低的温度。

 “这是我见过的最让人吃惊的结果之一。”项目负责人乔尔·乌洛姆说，“我们利用纳米结构的量子力学来冷却铜块，而铜几乎是这种制冷元件重量的100万倍。这是纳米或微电机装置可用来操纵宏观世界的一个罕见例子。”

更重要的是，这款量子冰箱原型的外形尺寸不过几英寸（1英寸=2.54厘米）大小，研究人员可以将任何合适的物体放置在制冷区，待冷却好以后再取走，使用方式与通用的厨房冰箱别无二样。其冷却能力却与一台能为林肯纪念堂（占地约2000多平方米）这样规模的建筑物降温的窗式空调相当。

这项技术有望提供一个紧凑、便利的制冷方式，使先进传感器的温度能够低于标准的低温学温度——300毫开尔文（MK），从而提高其性能，以用于量子信息系统、望远镜摄像机或寻找神秘的暗物质和暗能量。而在以往，这样的低温条件通常要使用液态氦才能制造出来。

据发表在《应用物理快报》上的论文描述，这款量子冰箱的制冷元件由48个利用特定材料制成的微小“三明治”组成，可以将一块边长2.5厘米、厚3毫米的铜板从290毫开尔文冷却到256毫开尔文，制冷过程历时约18小时。

制冷元件中的“三明治”结构为一层普通金属、一层1纳米厚的绝缘层和一层超导金属。当施加电压时，最热的电子会从普通金属层经过绝缘体层“隧穿”到超导金属层。普通金属层的温度急剧下降，从而耗尽被冷却物体的电子能量和振动能量，达到制冷效果。

该研究团队此前已经演示过这种基本的冷却方法，但现在已能够将其应用于冷却较大的物体。并且，他们开发了一种显微机械加工工艺，可以将冷却元件“贴”在铜板或其他物体上，制冷完毕后又能够方便地移除。

目前，将温度降低至低于300毫开尔文需要复杂、庞大而昂贵的设备。研究人员希望以此建造更为简单、紧凑的替代品，以便更容易地为先进传感器降温。