Квантовый холодильник — изобретена новая концепция охлаждения

Можно специально использовать квантовые эффекты, чтобы еще больше охладить облако ультрахолодных атомов.

Жоао Сабино в лаборатории. 

Независимо от того, какие изощренные методы охлаждения использовались раньше — с помощью этого метода, который теперь представлен в научном журнале Physical Review X-Quantum, можно немного приблизиться к абсолютному нулю. Еще предстоит проделать большую работу, прежде чем эту новую концепцию охлаждения можно будет превратить в настоящий квантовый холодильник, но первоначальные эксперименты уже показывают, что необходимые шаги в принципе возможны.

«В течение долгого времени термодинамика играла важную роль для классических механических машин — подумайте, например, о паровых двигателях или двигателях внутреннего сгорания. Сегодня квантовые машины разрабатываются в крошечных масштабах. И здесь термодинамика до сих пор не играла никакой роли », — говорит профессор Айсерт из Свободного университета Берлина.

«Если вы хотите построить квантовую тепловую машину, вы должны выполнить два принципиально противоречивых требования», — говорит профессор Маркус Хубер из TU Wien. «Это должна быть система, состоящая из множества частиц, в которой невозможно точно контролировать каждую деталь. Иначе нельзя говорить о тепле. И в то же время система должна быть достаточно простой и достаточно точно управляемой, чтобы не разрушать квантовые эффекты. В противном случае нельзя говорить о квантовой машине ».

«Еще в 2018 году у нас возникла идея перенести основные принципы тепловых машин на квантовые системы с использованием квантовых полевых описаний квантовых систем многих тел», — говорит профессор Йорг Шмидмайер (TU Wien). Теперь исследовательская группа из TU Wien и FU Berlin подробно изучила, как можно создать такие квантовые тепловые машины. Они руководствовались принципом работы обычного холодильника: изначально все имеет одинаковую температуру — внутреннее пространство холодильника, окружающая среда и охлаждающая жидкость. Но когда вы испаряете хладагент внутри холодильника, там отводится тепло. Затем тепло выделяется наружу, когда хладагент снова становится жидким. Таким образом, повышая и понижая давление, можно охладить внутреннюю часть и передать тепло окружающей среде.

Вопрос был в том, может ли существовать квантовая версия такого процесса. «Наша идея состояла в том, чтобы использовать конденсат Бозе-Эйнштейна для этого чрезвычайно холодного состояния вещества», — говорит профессор Йорг Шмидмайер. «В последние годы мы приобрели большой опыт точного управления такими конденсатами и манипулирования ими с помощью электромагнитных полей и лазерных лучей, исследуя некоторые фундаментальные явления на границе между квантовой физикой и термодинамикой. Следующим логическим шагом стала квантовая тепловая машина ».

Конденсат Бозе-Эйнштейна делится на три части, которые изначально имеют одинаковую температуру. «Если вы соедините эти подсистемы совершенно правильным образом и снова отделите их друг от друга, вы можете добиться, чтобы часть в середине действовала как поршень, так сказать, и позволяла передавать тепловую энергию с одной стороны на другую. », — объясняет Маркус Хубер. «В результате одна из трех подсистем охлаждается».

Даже вначале конденсат Бозе-Эйнштейна находится в состоянии очень низкой энергии — но не совсем в состоянии минимально возможной энергии. Некоторые кванты энергии все еще присутствуют и могут изменяться от одной подсистемы к другой — это известно как «возбуждение квантового поля».

«В нашем случае это возбуждение играет роль охлаждающей жидкости, — говорит Маркус Хубер. «Однако между нашей системой и классическим холодильником есть принципиальные отличия: в классическом холодильнике тепловой поток может происходить только в одном направлении — от теплого к холодному. В квантовой системе все сложнее; энергия также может переходить от одной подсистемы к другой, а затем возвращаться снова. Таким образом, вы должны очень точно контролировать, когда какие подсистемы должны быть подключены, а когда они должны быть разъединены ».

Пока что этот квантовый холодильник является только теоретической концепцией, но эксперименты уже показали, что необходимые шаги возможны.

«Теперь, когда мы знаем, что идея в основном работает, мы попытаемся реализовать ее в лаборатории», — говорит Жоао Сабино (TU Wien). «Мы надеемся добиться успеха в ближайшем будущем». Это было бы впечатляющим шагом вперед в криогенной физике, потому что независимо от того, какие другие методы вы используете для достижения чрезвычайно низких температур, вы всегда можете добавить новый квантовый холодильник в конце в качестве заключительного дополнительного этапа охлаждения, чтобы сделать одну часть ультрахолодная система еще холоднее. «Если это работает с холодными атомами, то наши идеи могут быть реализованы во многих других квантовых системах и приведут к новым приложениям квантовой технологии», — говорит Йорг Шмидмайер.