更小、更轻、更智能,看3D打印如何影响量子技术应用?

现在和将来的量子技术 – 例如原子钟1或量子定位系统2 – 需要有效的系统来冷却和捕获原子。然而,形成和维持冷原子云绝非易事 – 除其他因素外 – 需要超高真空(UHV)环境,这是高精度量子应用的关键。

近日,英国的科学家通过3D打印制造了用于便携式量子计算系统的真空组件,Added Scientific与诺丁汉大学和英国苏塞克斯大学的量子技术研究小组的成员合作使得更小、更轻、更智能的量子系统走进现实。

Part_Added Scientific由于采用了增材制造技术,3D打印的带真空腔室的组件其质量仅为245克,可以构建坚固的超高真空设备,材料少得多。
来源:Added Scientific

block 材料更少性能更强

3D科学谷了解到,就像在航空航天或石油和天然气工业中的歧管组件一样,组件之间的大量真空连接器和接头会增加泄漏的风险,尤其是当接头受到温度变化和机械应力影响的时候。

3D打印的真空组件为量子技术应用提供了多种好处,通过3D打印可以实现结构一体化,不再需要原来的真空接头设计,功能集成并减小真空组件的尺寸,减轻重量,提高功率

之前,由于对粉末床金属熔化3D打印技术制造的零件的孔隙率和机械强度的问题,使得这种通过3D打印制造真空组件的想法很难实现。然而,粉末床金属熔化3D打印技术的最新发展已经将工艺能力推进到满足对密度和机械性能的要求上了,由于这些进步,通过粉末床金属熔化3D打印技术开始对很多领域的关键零部件的设计与制造发生深刻的影响。

在制造完成这个一体化结构的真空组件后,科学家们在超高压环境中进行了应用,制作了一个可以容纳特高压的真空室,提供捕获冷原子云所需的性能。其中原子被冷却并通过激光束和磁场的组合固定到位。

为了让真空组件尽可能轻,科学家们改进了其端口的几何形状,最大限度地减少了它们之间的空间,并添加了薄的内部蒙皮并使其能够容纳UHV。此外还保持了腔室设计的对称性,确保端口保持垂直于激光束的光路,这有助于最大限度地减少光传输损耗。

Part_Added Scientific_2迄今为止增材制造最迷人,原创和最能发挥其潜力的应用案例之一。
来源:Added Scientific

整个过程是迄今为止增材制造最迷人,原创和最能发挥其潜力的应用案例之一。与所有的通过3D打印制造的热交换系统一样(延伸阅读《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(上篇)》《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(下篇)》),真空组件的设计中含有点阵结构,这增加了腔室的外表面积与体积比,有助于散热。最终的腔室设计与标准的UHV超高真空设备兼容。除了腔室外,Added Scientific开发了一种带有内置水冷通道的磁性线圈成型插件,以探索增材制造更多的优势。

真空组件采用铝合金AlSi10Mg(增材制造中最常用的铝合金)生产,因为它具有高比强度3和低密度。除了典型的热处理,Added Scientific还采用了单独的“老化”热处理,从而增加材料的强度。

另一个需要考虑是PBF粉末床金属熔化3D打印技术所制造的零部件的粗糙表面,对于特高压应用来说,增加的表面积被认为增加了除气的可能性。然而,经过大量测试后,该团队发现,即使没有进一步优化材料和保护层,可接受的工作温度范围也达到了400°C。

对于量子技术应用来说,3D打印真空组件的优势是显而易见的。Added Scientific所制造的MOT原型的质量为245克 – 比市售的不锈钢等效产品轻70%

这为研究团队节省了大量宝贵的实验室空间,同时也为未来设备的便携性迈出了重要一步。原则上,如果将腔室集成到专门设计和进一步优化的系统中,腔室可以变得更小。

随着对量子技术的渴望以及相关市场的快速成熟,3D打印结构一体化的真空腔室组件的能力发展将极大地支持英国的国家量子技术计划和政府对在英国开发量子技术产业的承诺。

从长远来看,3D打印技术有可能推动真空系统设计的革命,将增材制造技术引入真空系统的开发显然将影响便携式量子技术应用,也有可能影响更为广泛的科学和工业界。同时,这种高度复杂真空系统清楚地表明了3D打印技术在制造任何复杂系统中的优势。

名词解释:

1 原子钟,是一种计时装置,精度可以达到每2000万年才误差1秒,它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

2 量子导航定位系统(QPS),是英国国防科学与技术实验室(DSTL)正在研究的一种以超冷原子为基础的加速计,它能前所未有地精确跟踪人体移动的位置。

3 比强度是材料的强度(断开时单位面积所受的力)除以其表观密度。又被称为强度-重量比。比强度的国际单位为(N/m2)/(kg/m3) 或N·m/kg。

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