Kvantevarmepumpe:Et nyt måleværktøj til fysikere

Fysikere fra TU Delft, ETH Zürich og Universitetet i Tübingen har bygget en varmepumpe i kvanteskala lavet af lyspartikler. Denne enhed bringer videnskabsmænd tættere på kvantegrænsen for måling af radiofrekvenssignaler, hvilket kan være nyttigt i jagten på mørkt stof. Deres arbejde vil blive offentliggjort som en artikel med åben adgang i Science Advances den 26. august.

Hvis du bringer to genstande med forskellig temperatur sammen, såsom at lægge en varm flaske hvidvin i en kold kølepakke, flyder varmen normalt i én retning, fra varm (vinen) til kold (kølepakken). Og hvis du venter længe nok, vil de to begge nå den samme temperatur, en proces kendt i fysik som at nå ligevægt:en balance mellem varmestrømmen den ene vej og den anden.

Hvis du er villig til at udføre noget arbejde, kan du bryde denne balance og få varme til at flyde på den "forkerte" måde. Det er princippet, der bruges i dit køleskab til at holde din mad kold, og i effektive varmepumper, der kan stjæle varme fra den kolde luft udenfor for at varme dit hus op. I deres publikation demonstrerer Gary Steele og hans medforfattere en kvanteanalog af en varmepumpe, der får de elementære kvantepartikler af lys, kendt som fotoner, til at bevæge sig "mod strømmen" fra et varmt objekt til et koldt.

Mørkt stof-signaler

Mens forskerne allerede havde brugt deres enhed som et koldt bad til varme radiofrekvente fotoner i et tidligere studie, er det nu lykkedes dem samtidig at omdanne den til en forstærker. Med den indbyggede forstærker er enheden mere følsom over for radiofrekvente signaler, ligesom hvad der sker med forstærkede mikrobølgesignaler, der kommer ud af superledende kvanteprocessorer.

"Det er meget spændende, for vi kan komme tættere på kvantegrænsen for at måle radiofrekvenssignalerne, frekvenser, som ellers er svære at måle. Dette nye måleværktøj kan have mange anvendelsesmuligheder, en af ​​dem er at lede efter mørkt stof." siger Steele.

En kvantevarmepumpe

Enheden, kendt som et fotontrykkredsløb, er lavet af superledende induktorer og kondensatorer på en siliciumchip, der kun er afkølet til et par milligrader over absolut nultemperatur. Selvom dette lyder meget koldt, for nogle af fotoner i kredsløbet, er denne temperatur meget varm, og de exciteres med termisk energi. Ved hjælp af fotontryk kan forskerne koble disse exciterede fotoner til kolde fotoner med højere frekvens, hvilket i tidligere eksperimenter gjorde det muligt for dem at afkøle de varme fotoner til deres kvantegrundtilstand.

I dette nye værk tilføjer forfatterne et nyt twist:Ved at sende et ekstra signal ind i det kolde kredsløb er de i stand til at skabe en motor, som forstærker de kolde fotoner og varmer dem op. Samtidig "pumper" det ekstra signal fotonerne fortrinsvis i én retning mellem de to kredsløb. Ved at skubbe fotoner hårdere i den ene retning end den anden, er forskerne i stand til at afkøle fotonerne i den ene del af kredsløbet til en temperatur, der er koldere end den anden del, hvilket skaber en kvanteversion af varmepumpen til fotoner i et superledende kredsløb. . + Udforsk yderligere

Køler radiobølger til deres kvantejordtilstand