ТАСС, 23 декабря. Британские физики случайно выяснили, что кубики LEGO и другие пластиковые структуры похожей формы почти не пропускают тепло при температурах, близких к абсолютному нулю. Их аналоги могут ускорить разработку квантовых компьютеров и удешевить их производство, пишут исследователи в научном журнале Scientific Reports.
"Оказалось, что особенное расположение выемок и выступов на кубиках LEGO превращает конструкции, собранные из них, в очень сильный теплоизолятор, работающий при криогенных температурах. Это очень полезное качество, которое можно применить при создании научных приборов, в том числе гелиевых холодильников", - рассказал один из авторов работы, физик из Ланкастерского университета (Великобритания) Дмитрий Змеев.
За последний век физики создали несколько десятков различных типов холодильных установок, которые могут охлаждать отдельные атомы или облачка материи до температур, близких к абсолютному нулю (–273,15 °С). Как правило, в их работе используются различные физические принципы, которые "заставляют" тепло двигаться только в одном направлении.
К примеру, более полувека назад физики, экспериментируя с жидким гелием, обнаружили, что если охладить его до сверхнизкой температуры, которая не превышает абсолютный ноль выше, чем на 700 мК (милликельвинов), то он самопроизвольно разделяется на два слоя из атомов гелия-3 и гелия-4. Этот процесс сопровождается переносом энергии из одного слоя в другой, что можно использовать для охлаждения материи до еще более низких температур, заставляя атомы гелия-3 постоянно курсировать между разными прослойками.
У подобного охлаждения, как объясняют Змеев и его коллеги, есть большое ограничение, которое не позволяет снизить температуры ниже отметки примерно в 2 мК. Это связано с тем, что жидкий гелий и охлаждаемая им материя при приближении к абсолютному нулю становятся все более теплопроводными. Из-за этого подобные гелиевые холодильники, так называемые "рефрижераторы растворения", быстро теряют свою эффективность.
Игрушки для ученых
Змеев и его коллеги сделали большой шаг к решению этой проблемы, проверяя на обычных кубиках LEGO работу новой версии подобной охладительной установки, которую недавно создали в Ланкастерском университете. При этом ученые, как отмечает физик, давно интересовались тем, можно ли использовать различные типы пластика для изоляции образцов в подобных установках. Экспериментируя с кирпичиками LEGO, британские исследователи получили возможность проверить, так ли это на самом деле.
Для этого ученые собрали небольшую стенку из пластиковых блоков, поместили их внутрь холодильника, охладили до сверхнизких температур и на протяжении недели наблюдали за тем, как изменяется состояние этой конструкции. К большому удивлению исследователей, кубики LEGO, а также похожие на них структуры из АБС-пластика (акронитрил-бутадиен-стирола) оказались крайне эффективными изоляторами тепла.
Как показали дальнейшие замеры ученых, кубики на порядок превосходили в этом отношении стекло марки Macor, самый теплонепроницаемый материал, известный человечеству, а также пластик Vespel и все остальные материалы, используемые сегодня в криогенной отрасли.
В прошлом ученые никогда не замечали того, что АБС-пластик и прочие полимеры как-то выделялись в этом отношении по сравнению с прочими веществами. По мнению физиков, удивительные результаты их экспериментов связаны с тем, как устроены кубики и как они соединяются между собой. Площадь контакта между ними минимальна, что замедляет передачу тепла и позволяет пластиковым стройблокам обходить материалы, чья себестоимость на несколько порядков выше.
Как считает Змеев, изоляционные материалы с аналогичной структурой будут особенно интересны разработчикам квантовых компьютеров, для работы которых требуются очень стабильные температуры и чрезвычайно эффективные холодильные установки. Материалы, похожие на LEGO, удешевят и ускорят их разработку, заключают ученые.