Независимо от того, какие изощренные методы охлаждения использовались раньше – с помощью этой техники, которая теперь представлена 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.
Новое направление исследований: квантовая термодинамика
«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 проф. Айсерт из Свободного университета Берлина.
«Если вы хотите построить квантовую тепловую машину, вы должны выполнить два принципиально противоречащих требования», – говорит проф.
Маркус Хубер из TU Wien. «Это должна быть система, состоящая из множества частиц, в которой невозможно точно контролировать каждую деталь. Иначе нельзя говорить о жаре. И в то же время система должна быть достаточно простой и достаточно точно управляемой, чтобы не разрушать квантовые эффекты.
Иначе нельзя говорить о квантовой машине."
«Еще в 2018 году мы пришли к идее перенести основные принципы тепловых машин на квантовые системы с помощью описания квантового поля 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. Руководствовались принципом работы обычного холодильника: изначально все имеет одинаковую температуру – внутреннее пространство холодильника, окружающая среда и охлаждающая жидкость.
Но когда внутри холодильника испаряется теплоноситель, там отводится тепло. Затем тепло выводится наружу, когда охлаждающая жидкость снова сжижается. 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 проф. Йорг Шмидмайер. «В последние годы мы приобрели большой опыт в очень точном управлении такими конденсатами и манипулировании 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."
Перераспределение энергии на атомном уровне
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 того, 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 эти возбуждения играют 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 снова возвращаться.
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). «Надеемся на успех 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 деталь ультрахолодной системы 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.