Кванттық технологияларды дамыту үшін қажет өте төмен температураларға қол жеткізу жарысында Қытай ғалымдарының жаңалығы жаңа көшбасшыны анықтауы мүмкін. Қытайда сирек кездесетін гелий-3 изотопын қолданбай, абсолюттік нөлге жақын температураларға жетуге қабілетті қорытпа жасалды.

Кванттық технологиялар үшін төмен температуралардың маңызы

Кванттық технологиялар микроскопиялық деңгейдегі бөлшектердің ерекше қасиеттерін пайдаланады, бұл түрлі салаларда жаңа мүмкіндіктер ашады. Мысалы, кванттық компьютерлер дәстүрлі компьютерлерден айырмашылығы, бір уақытта бірнеше күйде бола алатын кубиттермен жұмыс істейді. Бұл оларға кәдімгі компьютерлер үшін қолжетімсіз есептеулерді қысқа мерзімде орындауға мүмкіндік береді.

Басқа бағыттарға магниттік және гравитациялық өрістердің ең аз өзгерістерін жоғары дәлдікпен анықтайтын кванттық датчиктер, сондай-ақ бұзылуы іс жүзінде мүмкін емес кванттық байланыс желілері жатады.

Экстремалды салқындатудың қажеттілігі

Кванттық құрылғылардың жұмыс істеуі үшін атомдар дерлік қозғалмайтын болуы керек, бұл тек 1 Кельвиннен төмен температураларда (–272,15 °C) мүмкін. Тіпті аздаған жылулық тербелістер кубиттердің күйін бұзып, кванттық датчиктердің тиімділігін төмендетуі мүмкін. Сондықтан зертханаларда озық салқындату әдістері қолданылады.

Дәстүрлі әдістердің шектеулері

Мұндай төмен температураларға жетудің негізгі құралы — гелий-3 пен гелий-4 қоспасын пайдаланатын сұйылту тоңазытқышы. Бұл жүйе милликельвин диапазонында температура алуға мүмкіндік береді, бұл кванттық есептеулер мен басқа технологиялар үшін қажет.

Алайда, гелий-3 — өте сирек кездесетін изотоп, ол негізінен ядролық реакторларда тритийдің ыдырауы нәтижесінде қосалқы өнім ретінде алынады. Әлемдік гелий-3 қоры шектеулі, ал оған сұраныс жоғары, бұл кванттық технологияларды ауқымды енгізуді қиындатады. Сонымен қатар, мұндай тоңазытқыштар көлемді, күрделі инфрақұрылымды қажет етеді және зертханалық кеңістікті көп алады.

Жаңа тәсіл: EuCo₂Al₉ қорытпасы

Осы шектеулерді жеңу үшін Қытай зерттеушілері гелий-3-ті қолданбай, абсолюттік нөлге жақын температураларға жетуге қабілетті қатты материал әзірледі. Жаңа EuCo₂Al₉ қорытпасы сирек кездесетін металдардан: европий, кобальт және алюминийден тұрады.

Салқындату адиабаттық размагничивание (ADR) әдісімен жүзеге асырылады. Бұл процесте материал алдымен күшті магнит өрісіне ұшырайды, оның магниттік моменттері реттеліп, жылу бөледі. Содан кейін, қоршаған ортадан оқшауланған соң, магнит өрісі алынып тасталады, және моменттер ретсіз күйге оралғанда материал жылуды сіңіріп, температураны төмендетеді.

Жаңа материалдың артықшылықтары

ADR технологиясы бұрыннан белгілі, бірақ қытайлық жаңалықтың ерекшелігі — материалдың өзінде. ADR-материалдардың көбінде жылуөткізгіштік мәселесі бар: олар салқындайды, бірақ бұл әсерді сыртқа тиімді жеткізе алмайды. Жаңа қорытпа ADR-дің төмен температуралық әлеуетін жақсы жылуөткізгіштікпен үйлестіреді, бұл қозғалмалы бөлшектері жоқ және гелий-3-ті қажет етпейтін ықшам қатты тоңазытқыш модулін жасауға мүмкіндік береді.

Зертханалық сынақтарда материал шамамен 106 милликельвин температураға жетті, бұл дәстүрлі гелий-3 жүйелерімен салыстыруға болады және көптеген криогендік қолданбаларға жарамды.

Қолдану перспективалары

Жаңа қорытпа гелий-3-ке тәуелділік мәселесін шешіп қана қоймай, қосымша мүмкіндіктер ашады. Ықшам қатты тоңазытқыштар портативті криогендік жүйелерді жасауға, кванттық жабдықты ықшам әрі үнемді етуге, сондай-ақ зерттеу орталықтарының инфрақұрылымдық талаптарын азайтуға мүмкіндік береді. Бұл қорғаныс, ғарыштық технологиялар және озық электроника үшін модульдік салқындату жүйелерін дамытуды жеделдетуі мүмкін.

Ықшам кванттық процессорларды алыс ғарышта есептеулер жүргізу үшін ғарыш аппараттарына орнатуға, ал қорғалған кванттық желілерді ауқымды тоңазытқыш қондырғыларынсыз әскери инфрақұрылымға біріктіруге болады. Сондай-ақ, жаңа жүйелер дәлдік датчиктері мен медициналық визуализацияда қолданылуы мүмкін.

Жаңалықтың өзектілігі

Зерттеу нәтижелерінің Nature журналында жариялануы АҚШ-та гелий-3-ті қолданбайтын модульдік салқындату жүйесін жасауға арналған байқаудың жариялануымен тұспа-тұс келді. Бұл жаңа технологияның кванттық және криогендік жүйелерді дамытудағы өзектілігі мен маңыздылығын көрсетеді.