Nowe narzędzie pomiarowe dla fizyków

Fizycy z TU Delft, ETH Zürich i Uniwersytetu w Tybindze zbudowali kwantową pompę ciepła wykonaną z lekkich cząstek. Urządzenie to przybliża naukowców do kwantowej granicy pomiaru sygnałów o częstotliwości radiowej, przydatnej np. w poszukiwaniu ciemnej materii. Ich praca zostanie opublikowana jako artykuł z otwartym dostępem w Science Advances 26 sierpnia.

Jeśli przyniesiesz dwa przedmioty o różnych temperaturach, na przykład włożysz butelkę ciepłego białego wina do zimnego woreczka, ciepło zwykle przepływa w jednym kierunku, od gorącego (wino) do zimnego (zimny worek). A jeśli poczekasz wystarczająco długo, oboje osiągną tę samą temperaturę, proces znany w fizyce, aby osiągnąć równowagę: równowagę między przepływem ciepła w jednym kierunku a drugim.

Jeśli chcesz trochę popracować, możesz złamać tę równowagę i spowodować, że ciepło będzie płynąć w „niewłaściwy” sposób. Jest to zasada stosowana w Twojej lodówce do utrzymywania zimnej żywności oraz w wydajnych pompach ciepła, które mogą kraść ciepło z zimnego powietrza na zewnątrz, aby ogrzać Twój dom. W swojej publikacji Gary Steele i współpracownicy demonstrują kwantowy analog pompy ciepła, który powoduje, że elementarne kwantowe cząstki światła, znane jako fotony, przemieszczają się w „przeciwprądzie” z gorącego obiektu do zimnego obiektu.

sygnały ciemnej materii

Podczas gdy w poprzednim badaniu naukowcy używali już swojego urządzenia jako zimnej kąpieli dla gorących fotonów o częstotliwości radiowej, teraz byli w stanie jednocześnie przekształcić je we wzmacniacz. Dzięki wbudowanemu wzmacniaczowi urządzenie jest bardziej czułe na sygnały o częstotliwości radiowej, podobnie jak w przypadku wzmocnionych sygnałów mikrofalowych pochodzących z nadprzewodzących procesorów kwantowych. „To bardzo ekscytujące, ponieważ możemy zbliżyć się do kwantowej granicy pomiaru sygnałów o częstotliwości radiowej, które są częstotliwościami trudnymi do zmierzenia w inny sposób. To nowe narzędzie pomiarowe może mieć wiele zastosowań, z których jednym jest poszukiwanie ciemnej materii”. mówi Steele.

kwantowa pompa ciepła

Urządzenie, znane jako obwód kompresji fotonów, składa się z nadprzewodzących cewek indukcyjnych i kondensatorów na krzemowym chipie chłodzonym do kilku milistopni powyżej temperatury zera absolutnego. Choć brzmi to bardzo zimno, w przypadku niektórych fotonów w obwodzie ta temperatura jest bardzo wysoka i są one wzbudzane energią cieplną. Wykorzystując kompresję fotonów, naukowcy mogli połączyć te wzbudzone fotony z zimnymi fotonami o wyższej częstotliwości, co w poprzednich eksperymentach pozwoliło im schłodzić gorące fotony do ich kwantowego stanu podstawowego.

W tej nowej pracy autorzy dodali nowy zwrot: wysyłając dodatkowy sygnał do zimnego obwodu, mogli stworzyć silnik, który wzmacnia i podgrzewa zimne fotony. Jednocześnie dodatkowy sygnał „pompuje” fotony preferencyjnie w jednym kierunku pomiędzy dwoma obwodami. Popychając fotony bardziej agresywnie w jednym kierunku niż w drugim, naukowcy są w stanie schłodzić fotony w jednej części obwodu do temperatury niższej niż w drugiej, tworząc kwantową wersję fotonowej pompy ciepła w obwodzie nadprzewodzącym. .