Recherche quantique: un réfrigérateur de laboratoire refroidit plus vite avec moins d’énergie
L’amélioration de la réfrigération profitera à l’informatique quantique, à l’astronomie, aux supraconducteurs et à d’autres applications.
- Des scientifiques ont considérablement réduit le temps et l’énergie nécessaires pour refroidir des matériaux à des températures proches du zéro absolu.
- Leur prototype de réfrigérateur pourrait s’avérer une aubaine pour l’industrie quantique en plein essor, qui utilise largement des matériaux ultrafroids.
- Le NIST travaille actuellement avec un partenaire industriel pour commercialiser le réfrigérateur.
Au USA, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), ont réussi en modifiant un réfrigérateur couramment utilisé dans la recherche et l’industrie à considérablement réduire le temps et l’énergie nécessaires pour refroidir des matériaux à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Les scientifiques affirment que leur prototype, qu’ils s’efforcent actuellement de commercialiser avec un partenaire industriel, pourrait permettre d’économiser chaque année une puissance estimée à 27 millions de watts, 30 millions de dollars de consommation électrique mondiale et suffisamment d’eau de refroidissement pour remplir 5 000 piscines olympiques.
Qu’il s’agisse de stabiliser les qubits (l’unité d’information de base d’un ordinateur quantique), de préserver les propriétés supraconductrices des matériaux ou de maintenir le télescope spatial James Webb de la NASA suffisamment froid pour observer le ciel, la réfrigération ultrafroide est essentielle au fonctionnement de nombreux appareils et capteurs. Pendant des décennies, le réfrigérateur à tube d’impulsion (PTR) a été l’appareil de référence pour atteindre des températures aussi froides que le vide de l’espace extra-atmosphérique.
Ces réfrigérateurs compriment (chauffent) et dilatent (refroidissent) cycliquement l’hélium gazeux à haute pression pour obtenir le « grand froid », de manière largement analogue à la façon dont un réfrigérateur domestique utilise la transformation du fréon de liquide en vapeur pour éliminer la chaleur. Depuis plus de 40 ans, le PTR a prouvé sa fiabilité, mais il est également gourmand en énergie, consommant plus d’électricité que n’importe quel autre composant d’une expérience à ultra-basse température.
Lorsque Ryan Snodgrass, chercheur au NIST, et ses collègues ont examiné le réfrigérateur de plus près, ils ont découvert que les fabricants avaient conçu l’appareil pour qu’il ne soit économe en énergie qu’à sa température finale de fonctionnement de 4 kelvins (K), c’est-à-dire 4 degrés au-dessus du zéro absolu. L’équipe a constaté que ces réfrigérateurs sont extrêmement inefficaces à des températures plus élevées, ce qui est un problème majeur car le processus de refroidissement commence à la température ambiante.
Au cours d’une série d’expériences, M. Snodgrass, ainsi que les scientifiques du NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo et Scott Backhaus, ont découvert qu’à température ambiante, l’hélium gazeux était soumis à une pression si élevée qu’une partie était expulsée par une soupape de sûreté au lieu d’être utilisée pour le refroidissement. En modifiant les connexions mécaniques entre le compresseur et le réfrigérateur, l’équipe s’est assurée qu’aucune partie de l’hélium ne serait gaspillée, améliorant ainsi considérablement l’efficacité du réfrigérateur.
En particulier, les chercheurs ont ajusté en permanence une série de vannes qui contrôlent la quantité d’hélium gazeux circulant entre le compresseur et le réfrigérateur. Ils ont découvert qu’en permettant aux valves d’avoir une plus grande ouverture à température ambiante, puis en les fermant progressivement au fur et à mesure du refroidissement, ils pouvaient réduire le temps de refroidissement à une valeur comprise entre la moitié et le quart de ce qu’elle est aujourd’hui. Actuellement, les scientifiques doivent attendre un jour ou plus pour que les nouveaux circuits quantiques soient suffisamment froids pour être testés. Étant donné que les progrès de la recherche scientifique peuvent être limités par le temps nécessaire pour atteindre les températures cryogéniques, le refroidissement plus rapide fourni par cette technologie aurait un sérieux un impact dans de nombreux domaines quantique de la recherche comme de l’informatique. La technologie développée par l’équipe du NIST pourrait également permettre aux scientifiques de remplacer les grands réfrigérateurs à tube pulsé par des réfrigérateurs beaucoup plus petits, réduisant par la même l’nfrastructure
Les chercheurs, qui comprennent des scientifiques de l’Université du Colorado Boulder, décrivent leur méthode dans un article publié en ligne le 23 avril dans la revue Nature Communications
National Institute of Standards and Technology (NIST)
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