Hvordan kvantefelter kunne bruges til at bryde lavtemperaturrekorder

Ved første øjekast, varme og kulde har ikke meget med kvantefysik at gøre. Et enkelt atom er hverken varmt eller koldt. Temperatur kan traditionelt kun defineres for objekter, der består af mange partikler. Men på TU Wien, i samarbejde med FU Berlin, Nanyang Technological University i Singapore og University of Lissabon, det har nu været muligt at vise, hvilke muligheder der opstår, når termodynamik og kvantefysik kombineres:Man kan specifikt bruge kvanteeffekter til at afkøle en sky af ultrakolde atomer endnu mere.

Uanset hvilke sofistikerede kølemetoder, der er blevet brugt før - med denne teknik, som nu er blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgang X-Quantum , det er muligt at komme lidt tættere på det absolutte nul. Der skal stadig meget arbejde til, før dette nye kølekoncept kan omdannes til et egentligt kvantekøleskab, men indledende forsøg viser allerede, at de nødvendige skridt er mulige i princippet.

Et nyt forskningsfelt:kvantetermodynamik

"I lang tid, termodynamik har spillet en vigtig rolle for klassiske mekaniske maskiner - tænk på dampmaskiner eller forbrændingsmotorer, for eksempel. I dag, kvantemaskiner udvikles i lille skala. Og der, termodynamik har næppe spillet en rolle der indtil videre," siger prof. Eisert fra det frie universitet i Berlin.

"Hvis du vil bygge en kvantevarmemaskine, du skal opfylde to krav, der er grundlæggende modstridende, ", siger prof. Marcus Huber fra TU Wien. "Det skal være et system, der består af mange partikler, og hvor man ikke kan kontrollere alle detaljer præcist. Ellers kan man ikke tale om varme. Og på samme tid, systemet skal være enkelt nok og tilstrækkeligt præcist kontrollerbart til ikke at ødelægge kvanteeffekter. Ellers, man kan ikke tale om en kvantemaskine."

"Tilbage i 2018, vi kom op med ideen om at overføre de grundlæggende principper for termiske maskiner til kvantesystemer ved at bruge kvantefeltbeskrivelser af mange-legeme kvantesystemer, " siger prof. Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Nu undersøgte forskerholdet fra TU Wien og FU Berlin i detaljer, hvordan sådanne kvantevarmemaskiner kan designes. De blev styret af driftsprincippet for et almindeligt køleskab:i første omgang, alt har den samme temperatur - det indre af køleskabet, miljøet og kølevæsken. Men når du fordamper kølevæsken inde i køleskabet, varme udvindes der. Varmen frigives derefter udenfor, når kølevæsken igen bliver flydende. Så ved at hæve og sænke trykket er det muligt at afkøle indersiden og overføre varmen til omgivelserne.

Spørgsmålet var, om der også kunne findes en kvanteversion af sådan en proces. "Vores idé var at bruge et Bose-Einstein-kondensat til dette, en ekstrem kold tilstand af stof, " siger prof. Jörg Schmiedmayer. "I de seneste år har vi har fået meget erfaring med at kontrollere og manipulere sådanne kondensater meget præcist ved hjælp af elektromagnetiske felter og laserstråler, at undersøge nogle af de grundlæggende fænomener på grænsen mellem kvantefysik og termodynamik. Det logiske næste skridt var kvantevarmemaskinen."

Energiomfordeling på atomniveau

Et Bose-Einstein kondensat er opdelt i tre dele, som i starten har samme temperatur. "Hvis du kobler disse undersystemer på den helt rigtige måde og adskiller dem fra hinanden igen, du kan opnå, at delen i midten fungerer som et stempel, så at sige, og tillader varmeenergi at blive overført fra den ene side til den anden, " forklarer Marcus Huber. "Som et resultat, et af de tre delsystemer er kølet ned."

Selv i begyndelsen, Bose-Einstein-kondensatet er i en tilstand med meget lav energi - men ikke helt i den lavest mulige energitilstand. Nogle energikvanter er stadig til stede og kan ændre sig fra et undersystem til et andet - disse er kendt som "excitationer af kvantefeltet."

"Disse excitationer påtager sig rollen som kølevæsken i vores tilfælde, " siger Marcus Huber. "Men, der er grundlæggende forskelle mellem vores system og et klassisk køleskab:I et klassisk køleskab, varmeflow kan kun ske i én retning - fra varmt til koldt. I et kvantesystem, det er mere kompliceret; energien kan også skifte fra et delsystem til et andet og så vende tilbage igen. Så man skal styre meget præcist, hvornår hvilke delsystemer skal tilsluttes, og hvornår de skal afkobles."

Indtil nu, dette kvantekøleskab er kun et teoretisk koncept - men eksperimenter har allerede vist, at de nødvendige trin er gennemførlige. "Nu hvor vi ved, at ideen dybest set virker, vi vil prøve at implementere det i laboratoriet, " siger Joao Sabino (TU Wien). "Vi håber at få succes i den nærmeste fremtid." Det ville være et spektakulært skridt fremad inden for kryogen fysik - for uanset hvilke andre metoder du bruger til at nå ekstremt lave temperaturer, du kan altid tilføje det nye 'kvantekøleskab' til sidst som et sidste ekstra afkølingstrin for at gøre en del af det ultrakolde system endnu koldere. "Hvis det virker med kolde atomer, så kan vores ideer implementeres i mange andre kvantesystemer og føre til nye kvanteteknologiske applikationer, " siger Jörg Schmiedmayer.