В начале года американское агентство DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency — агентство перспективных оборонных разработок США) объявило конкурс: найти технологию охлаждения для квантовых систем без использования гелия-3. Через две недели китайские учёные опубликовали в авторитетном научном журнале Nature статью о сплаве EuCo₂Al₉, который решает проблему.

Гелий-3 — редкий изотоп гелия, в ядре которого один нейтрон вместо обычных двух. На Земле его катастрофически мало: он медленно выделяется из мантии и так же медленно улетучивается в космос, потому что земная гравитация его едва удерживает. Основной промышленный источник получения ресурса — ядерный синтез, и объёмы здесь очень небольшие. Да, вещество невероятно дорогое — около $20 миллионов за килограмм.

Цена и дефицит делают его стратегическим ресурсом: квантовые процессоры требуют охлаждения до 10–15 милликельвинов (тысячных долей градуса выше абсолютного нуля), и именно гелий-3 используется в рефрижераторах растворения — основных системах охлаждения для квантовых компьютеров. Один такой холодильник — это шкаф высотой в человеческий рост, стоимостью в несколько миллионов долларов, и работает он только пока есть запасы гелия-3. IBM, Google, китайские квантовые лаборатории — все сидят на этой игле.

Китай импортирует около 94% потребляемого гелия-3 и практически не имеет собственных запасов этого вещества. Для страны, которая строит квантовые суперкомпьютеры и вкладывает десятки миллиардов юаней в квантовые программы — это узкое место всей технологической независимости. Но в КНР решили эту проблему. Новый сплав состоит из трёх элементов: европия (Eu) (редкоземельныйо металл), кобальта (Co) и алюминия (Al). В этом материале одновременно сосуществуют два, казалось бы, несовместимых свойства: гигантский магнетокалорический эффект (способность резко охлаждаться при изменении магнитного поля) и сверхвысокая теплопроводность при экстремально низких температурах.

Охлаждение на этом сплаве происходит таким образом. Сначала к материалу прикладывают сильное магнитное поле. Под его действием внутри сплава магнитные частицы атомов (их магниты) начинают выстраиваться в одинаковом направлении, как если бы все они «смотрели» в одну сторону. При этом они отдают своё тепло и нагревают сам металл. Потом магнитное поле резко выключают, но сам сплав остаётся в хорошей теплоизоляции — он словно запечатан в «термосе». Без поля внутренние магниты снова начинают вращаться и двигаться хаотично, в разных направлениях. Чтобы это сделать, они забирают энергию у самого сплава и у ближайших деталей, то есть забирают тепло. В результате материал охлаждается сам, а вместе с ним становится холоднее то, с чем он соприкасается (например, квантовый чип). Прототип охладителя на основе сплава EuCo₂Al₉ уже достиг температуры 106 милликельвинов (0,106 К) — это самый низкий показатель для металлических материалов в подобных системах.

Китайская академия наук заявила, что такой сплав теоретически подходит для массового производства, то есть его можно выпускать промышленно и использовать в реальных квантовых и космических системах.

Где это будет востребовано

Квантовые вычисления — очевидный кандидат номер один. Компактный твердотельный модуль охлаждения без гелия означает, что квантовые компьютеры перестанут быть заложниками холодильника больших размеров.

Космос — второй по важности рынок, потому что для долгосрочных миссий за пределами Земли автономный твердотельный охладитель без жидких хладагентов — принципиально иное решение по надёжности и массе.

Военные системы — сверхчувствительные радары, квантовые датчики, системы связи нового поколения — всё это требует охлаждения до предельно низких температур в полевых условиях, где гелиевый холодильник попросту неприменим.

Технологии технологиями, но интересное в этой истории другое. DARPA из США объявило конкурс и получило публичный ответ из Китая раньше, чем успело собрать заявки. Это не случайность: работа велась годами, результаты были готовы, и время публикации информации об открытии подобрали специально. Китай не изобрёл сплав за две недели, он выбрал момент, когда о нём рассказать.