Квантовый тепловой насос: новый измерительный инструмент для ученых

266

Физики из Технического университета Делфта, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Тюбингенского университета построили тепловой насос на квантовом уровне, состоящий из частиц света. Это устройство приближает ученых к квантовому пределу измерения радиочастотных сигналов, что может быть полезно при поиске темной материи. 

Если соединить вместе два объекта разной температуры, например, поместить теплую бутылку с водой в холодный охлаждающий пакет, тепло обычно течет в одном направлении, от горячего (вода) к холодному (охлаждающий пакет).

И если подождать достаточно долго, они оба достигнут одной и той же температуры, процесс, известный в физике как достижение равновесия: баланс между тепловыми потоками в одну и другую стороны.

Если вы готовы проделать некоторую работу, вы можете нарушить этот баланс и заставить тепло течь «неправильным» путем. Этот принцип используется в холодильнике, чтобы еда оставалась холодной, и в эффективных тепловых насосах, которые могут брать тепло из холодного воздуха снаружи, чтобы обогреть дом.

В новой работе Гэри Стил и его коллеги демонстрируют квантовый аналог теплового насоса, заставляющего элементарные квантовые частицы света, известные как фотоны , двигаться «против течения» от горячего объекта к холодному.

Сигналы темной материи

Хотя ученые уже использовали свое устройство в качестве холодной ванны для горячих радиочастотных фотонов в предыдущем исследовании, теперь им удалось одновременно превратить его в усилитель.

Благодаря встроенному усилителю устройство более чувствительно к радиочастотным сигналам, как это происходит с усиленными микроволновыми сигналами, исходящими от сверхпроводящих квантовых процессоров.

«Это очень интересно, потому что мы можем приблизиться к квантовому пределу измерения радиочастотных сигналов, частот, которые трудно измерить иначе. Этот новый измерительный инструмент может иметь множество применений, одно из которых — поиск темной материи», — говорит Гэри Стил.

Квантовый тепловой насос

Устройство, известное как схема фотонного давления, состоит из сверхпроводящих катушек индуктивности и конденсаторов на кремниевой микросхеме, охлажденных всего на несколько миллиградусов выше температуры абсолютного нуля.

Хотя температура очень низкая, для некоторых фотонов в цепи она очень высока, и они возбуждаются тепловой энергией.

Используя фотонное давление, исследователи могут соединить эти возбужденные фотоны с холодными фотонами более высокой частоты, что в предыдущих экспериментах позволило им охладить горячие фотоны до их основного квантового состояния.

В новой работе авторы добавляют новый поворот: посылая дополнительный сигнал в холодную цепь, они могут создать двигатель, который усиливает холодные фотоны и нагревает их.

В то же время дополнительный сигнал «накачивает» фотоны преимущественно в одном направлении между двумя цепями.

Толкая фотоны в одном направлении сильнее, чем в другом, исследователи могут охлаждать фотоны в одной части цепи до температуры, которая ниже, чем в другой части, создавая квантовую версию теплового насоса для фотонов в сверхпроводящей цепи.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии