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. Их работа будет опубликована в открытом доступе в журнале Science Advances 26 августа.
Если вы соедините вместе два объекта разной температуры, например, поместите теплую бутылку белого вина в холодный охлаждающий пакет, тепло обычно течет в одном направлении, от горячего (вино) к холодному (охлаждающий пакет). И если вы подождете 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 вашем холодильнике, чтобы ваша еда оставалась холодной, и в эффективных тепловых насосах, которые могут брать тепло из холодного воздуха снаружи, чтобы обогреть ваш дом. В своей публикации Гэри Стил и его соавторы 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 исследователи 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 Стил.
Квантовый тепловой насос
Устройство, известное как схема фотонного давления, состоит из сверхпроводящих катушек индуктивности и конденсаторов на кремниевой микросхеме, охлаждаемой всего на несколько миллиградусов выше температуры абсолютного нуля. Хотя это звучит очень холодно, для некоторых фотонов в цепи эта температура 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 этой 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.
Теги: квант
