Гонка за достижением сверхнизких температур, необходимых для развития квантовых технологий, может получить нового лидера благодаря разработке китайских ученых. В Китае создан сплав, способный достигать температур, близких к абсолютному нулю, без использования редкого изотопа гелия-3.

Значение низких температур для квантовых технологий

Квантовые технологии используют уникальные свойства частиц на микроскопическом уровне, что открывает новые возможности для различных отраслей. Примером являются квантовые компьютеры, которые, в отличие от традиционных, оперируют кубитами — единицами информации, способными находиться в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет выполнять вычисления, которые обычным компьютерам были бы недоступны в разумные сроки.

Другие направления включают квантовые датчики, фиксирующие малейшие изменения магнитных и гравитационных полей с высокой точностью, а также квантовую связь, обеспечивающую практически неуязвимые для взлома сети.

Необходимость экстремального охлаждения

Для работы квантовых устройств требуется, чтобы атомы были почти неподвижны, что возможно только при температурах ниже 1 Кельвина (–272,15 °C). Даже незначительные тепловые колебания могут нарушить состояние кубитов или снизить эффективность квантовых датчиков. Поэтому в лабораториях применяются передовые методы охлаждения.

Ограничения традиционных методов

Основным инструментом для достижения таких температур является разбавительный холодильник, использующий смесь гелия-3 и гелия-4. Эта система позволяет получать температуры в милликельвиновых диапазонах, что необходимо для квантовых вычислений и других технологий.

Однако гелий-3 — крайне редкий изотоп, который в основном получают как побочный продукт распада трития в ядерных реакторах. Мировые запасы гелия-3 ограничены, а спрос на него высок, что затрудняет масштабирование квантовых технологий. Кроме того, такие холодильники громоздки, требуют значительной инфраструктуры и занимают много лабораторного пространства.

Новый подход: сплав EuCo₂Al₉

Для преодоления этих ограничений исследователи из Китая разработали твердый материал, способный достигать температур, близких к абсолютному нулю, без гелия-3. Новый сплав EuCo₂Al₉ состоит из редкоземельных металлов: европия, кобальта и алюминия.

Охлаждение осуществляется методом адиабатического размагничивания (ADR). В этом процессе материал сначала подвергается воздействию сильного магнитного поля, при котором его магнитные моменты выстраиваются и выделяют тепло. Затем, после изоляции от окружающей среды, магнитное поле убирают, и при возвращении моментов в хаотичное состояние материал поглощает тепло, снижая температуру.

Преимущества нового материала

Технология ADR известна, но новизна китайской разработки заключается в самом материале. У многих ADR-материалов возникают проблемы с теплопроводностью: они охлаждаются, но не могут эффективно передавать этот эффект наружу. Новый сплав сочетает низкотемпературный потенциал ADR с хорошей теплопроводностью, что позволяет создать компактный твердотельный холодильный модуль без движущихся частей и без использования гелия-3.

В лабораторных испытаниях материал достиг температуры около 106 милликельвинов, что сопоставимо с традиционными системами на гелии-3 и подходит для многих криогенных применений.

Перспективы применения

Новый сплав не только решает проблему зависимости от гелия-3, но и открывает дополнительные возможности. Компактные твердотельные холодильники могут способствовать созданию портативных криогенных систем, сделать квантовое оборудование более компактным и экономичным, а также снизить инфраструктурные требования для исследовательских центров. Это может ускорить разработку модульных систем охлаждения для обороны, космических технологий и передовой электроники.

Компактные квантовые процессоры можно будет устанавливать на космические аппараты для вычислений в дальнем космосе, а защищённые квантовые сети — интегрировать в существующую военную инфраструктуру без необходимости в массивных холодильных установках. Также новые системы могут найти применение в прецизионных датчиках и медицинской визуализации.

Актуальность разработки

Публикация результатов исследования в журнале Nature совпала по времени с объявлением в США конкурса на создание модульной системы охлаждения без гелия-3, что подчеркивает актуальность и значимость новой технологии для развития квантовых и криогенных систем.