Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Mød kvantekøleskabet - med tre atomer i størrelse, Det er meget mindre end en minibar

Forskere har bygget et køleskab, der kun er tre atomer stort på Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore. Resten af ​​udstyret synligt på dette billede, med medforfattere Jaren Gan (til venstre) og Gleb Maslennikov (til højre), styrer atomerne for at få køleskabet til at fungere. Kredit:Center for Quantum Technologies, National University of Singapore

Forskere i Singapore har bygget et køleskab, der kun er tre atomer stort. Dette kvantekøleskab holder ikke dine drikkevarer kolde, men det er et fedt bevis på fysik, der fungerer i de mindste skalaer. Værket er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort 14. januar i Naturkommunikation .

Forskere har før bygget små varmemotorer, men tidligere kvantekøleskabe var kun teoretiske, indtil teamet på Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore chillede med deres atomer. Enheden er et "absorptionskøleskab". Det fungerer uden bevægelige dele, ved hjælp af varme til at drive en køleproces.

De første absorptionskøleskabe, introduceret i 1850'erne, cyklede fordampning og absorption af en væske, med afkøling, der sker under fordampningstrinnet. De blev meget udbredt til at lave is og chill mad ind i det 20. århundrede. Albert Einstein havde endda patent på et forbedret design. Dagens køleskabe og klimaanlæg bruger oftere en kompressor, men absorptionskøleskabe har stadig deres anvendelser - videnskabelige eksperimenter inkluderet.

"Vores enhed er den første implementering af absorptionskølecyklussen på nanoskalaen, "siger medforfatter Stefan Nimmrichter. For at skabe et absorptionskøleskab med kun tre atomer krævede udsøgt kontrol." Som eksperimentel videnskabsmand, det er en ren glæde at kunne manipulere individuelle atomer, "siger Gleb Maslennikov, papirets første forfatter.

Først, forskerne fangede og holdt tre atomer af grundstoffet Ytterbium i et metalkammer, hvorfra de havde fjernet al luften. De trak også en elektron af hvert atom for at efterlade dem med en positiv ladning. De ladede atomer - kaldet ioner - kan derefter holdes på plads med elektriske felter. I mellemtiden, forskerne skubber og zapper ionerne med lasere for at bringe dem i deres laveste energitilstand. Resultatet er, at ionerne er suspenderet næsten helt stille, spændt ud i en linje.

En anden laser zap injicerer derefter lidt varme, får ioner til at vrikke. Ionerne interagerer med hinanden på grund af deres lignende ladninger. Resultatet er tre wiggle -mønstre - squishing og stretching langs linjen som en Slinky, vugger som en vippe, der svinger om det centrale atom, og zig-zagging ud af linjen som et vinkende springtov.

Energien i hver wiggling -tilstand kvantificeres, med energien båret af en række såkaldte fononer. Ved at indstille de svingende frekvenser, forskerne satte betingelser for køling, således at en fonon, der bevæger sig fra savsaven til Slinky-tilstanden, vil trække en fonon fra zig-zag-tilstanden med sig. Zig-zag-tilstanden mister dermed energi, og dens temperatur falder. Når det er koldest, det er inden for 40 mikroKelvin af absolut nul (-273C), den koldeste temperatur muligt. Hver runde med ionforberedelse og fonontælling tog op til 70 millisekunder, med afkøling i omkring et millisekund. Denne proces blev gentaget tusinder af gange.

At studere sådanne små enheder er vigtigt for at se, hvordan termodynamik - vores bedste forståelse af varmestrømme - kan have brug for justeringer for at afspejle mere grundlæggende love. Termodynamikens principper er baseret på den gennemsnitlige adfærd for store systemer. De tager ikke hensyn til kvanteeffekter, hvilket betyder noget for forskere, der bygger nanomaskiner og kvanteenheder.

For at teste kvantetermodynamik, forskerne foretog omhyggelige målinger af, hvordan fononer spredte sig gennem tilstande over tid. I særdeleshed, forskerne testede, om en kvanteeffekt kendt som 'klemning' ville øge kvantekøleskabets ydeevne. Klemme betyder at fastsætte mere præcist ionernes position. På grund af kvanteusikkerhedsprincippet, der øger svingningen i momentum. På tur, dette øger det gennemsnitlige antal fononer i savsagetilstanden, der driver køling.

Til holdets overraskelse, klemning hjalp ikke køleskabet. "Hvis du har en begrænset mængde energi at bruge, det er bedre at gøre det direkte til varme end at bruge det til at forberede en presset tilstand, "siger Dzmitry Matsukevich, der ledede det eksperimentelle arbejde.

Imidlertid, de fandt den maksimale mængde køling, som blev opnået med en metode kaldet "enkelt skud, "overstiger hvad klassisk ligevægtstermodynamik forudsiger. I denne tilgang, holdet stopper køleeffekten ved at afstemme de wiggling-tilstande, før systemet når sit naturlige slutpunkt. Kølingen overskrider ligevægten.

Fysiker Valerio Scarani, et andet medlem af teamet, glæder sig til at tage tingene videre. ”Det næste spørgsmål er, kan du afkøle hvad du vil med det? Indtil nu, vi har køleskabets motor, men ikke kassen til øllet, " han siger.

Varme artikler