Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một hợp kim đất hiếm mới có khả năng làm lạnh cực sâu và hiệu quả đến mức có thể làm đảo lộn hàng thập kỷ phụ thuộc vào helium-3, đồng thời tạo ra cú hích lớn trong cuộc đua toàn cầu về máy tính lượng tử và các cảm biến siêu nhạy.
Một thiết bị “tủ lạnh mini” sử dụng hợp kim này đã đạt nhiệt độ cực kỳ gần với mức 0 tuyệt đối mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Đáng chú ý, bước đột phá này xuất hiện đúng thời điểm Cơ quan Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Mỹ (DARPA) đang tích cực tìm kiếm công nghệ tương tự.
Ngày 27/1, DARPA đã phát đi lời kêu gọi khẩn cấp: phát triển hệ thống làm lạnh mô-đun không dùng helium-3 cho các công nghệ lượng tử và quốc phòng thế hệ mới. Chưa đầy hai tuần sau, các nhà khoa học Trung Quốc đã đưa ra câu trả lời với một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature.
Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc hợp kim này “có tiềm năng sản xuất hàng loạt. Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công mô-đun làm lạnh kim loại nguyên chất dựa trên vật liệu này”.
“Module làm lạnh hiệu suất cao này có thể cung cấp nguồn làm lạnh ổn định, di động cho chip lượng tử và hỗ trợ các dự án thám hiểm không gian lớn với hệ thống làm lạnh tự chủ”, cơ quan này cho biết, đồng thời gọi đây là “giải pháp Trung Quốc” giúp chấm dứt sự phụ thuộc vào helium-3.
Trong vật lý, nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được là 0 Kelvin, tương đương âm 273,15 độ C – trạng thái được gọi là “độ 0 tuyệt đối”. Khi vật chất tiến gần mức này, chúng thể hiện những đặc tính hoàn toàn khác biệt: helium lỏng mất ma sát, thủy ngân trở thành siêu dẫn và nhiều nghiên cứu lượng tử tiên tiến trở nên khả thi.
Hiện nay, việc đạt được nhiệt độ siêu thấp chủ yếu dựa vào công nghệ làm lạnh pha loãng, vốn cần helium-3. Đây là đồng vị hiếm mà Trung Quốc phần lớn phải nhập khẩu, với nguồn cung gắn liền với các chương trình hạt nhân tại Mỹ, Nga và các nhà máy điện hạt nhân dân sự ở Canada.
Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature ngày 11/2, nhóm khoa học đã sử dụng một phương pháp hoàn toàn khác: làm lạnh khử từ đoạn nhiệt (adiabatic demagnetisation refrigeration – ADR).
Về cơ bản, quá trình này bắt đầu bằng việc đặt hợp kim từ tính vào môi trường nhiệt độ thấp. Khi áp dụng từ trường, các “nam châm vi mô” bên trong vật liệu sẽ sắp xếp đồng nhất, giải phóng nhiệt ra ngoài. Khi tách khỏi môi trường và loại bỏ từ trường, các cấu trúc này trở lại trạng thái hỗn loạn, hấp thụ nhiệt và tiếp tục làm giảm nhiệt độ của vật liệu.
Một trở ngại lớn của phương pháp này trước đây là khả năng dẫn nhiệt kém của vật liệu truyền thống – chúng có thể tự làm lạnh nhưng khó truyền lạnh ra các bộ phận xung quanh.
Nhóm nghiên cứu từ Viện Vật lý Lý thuyết và Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cùng với Đại học Giao thông Thượng Hải, đã phát hiện vật liệu mới mang tên EuCo2Al9 (ECA). Hợp chất đất hiếm này có độ dẫn nhiệt tương đương kim loại, cho phép truyền lạnh hiệu quả ra bên ngoài.
Theo Viện Hàn lâm, công nghệ ADR sử dụng ECA đã đạt nhiệt độ tối thiểu 106 millikelvin – thiết lập kỷ lục mới cho vật liệu kim loại. Đồng thời, ở mức nhiệt cực thấp này, độ dẫn nhiệt của nó cao hơn từ 1 đến 2 bậc độ lớn so với vật liệu làm lạnh từ tính truyền thống, vượt qua nút thắt quan trọng trong việc truyền năng lượng làm lạnh.
Phương pháp ADR không cần helium-3 đang ngày càng được quan tâm trong giới học thuật. Năm 2024, Đại học Bắc Kinh đã chế tạo hai thiết bị làm lạnh dựa trên nguyên lý này cho nghiên cứu máy tính lượng tử và vận hành ổn định trong nhiều tháng.
Tính di động và trọng lượng nhẹ được xem là lợi thế lớn của module làm lạnh ECA. Báo cáo công tác năm nay của chính phủ Trung Quốc cũng nhấn mạnh mục tiêu “phát triển ngành công nghệ lượng tử”.
Hiện tại, các máy tính lượng tử siêu dẫn vẫn cần những hệ thống làm lạnh pha loãng cồng kềnh để đưa chip xuống nhiệt độ dưới 1 Kelvin. Trong tương lai, các module làm lạnh nhỏ gọn như ECA có thể đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các máy tính lượng tử nhỏ hơn, linh hoạt hơn.
Theo SCMP
