Physiker der TU Delft, der ETH Zürich und der Universität Tübingen haben eine Quantenwärmepumpe aus Lichtteilchen gebaut. Dieses Gerät bringt Wissenschaftler der Quantengrenze der Messung von Hochfrequenzsignalen näher, die bei der Suche nach dunkler Materie nützlich sein könnten. Ihre Arbeit wird als Open-Access-Artikel unter veröffentlicht Wissenschaftlicher Fortschritt Am 26.08.

Kombiniert man zwei Gegenstände unterschiedlicher Temperatur miteinander, wie z. B. eine Flasche warmen Weißweins in eine kalte Kühltasche, fließt die Wärme meist in eine Richtung, von heiß (Wein) nach kalt (Kühltasche). Und wenn Sie lange genug warten, erreichen beide die gleiche Temperatur, ein Prozess, der in der Physik bekannt ist, um ein Gleichgewicht zu erreichen: das Gleichgewicht zwischen Wärmefluss in die eine und andere Richtung.

Wenn Sie bereit sind, etwas Arbeit zu leisten, können Sie dieses Gleichgewicht stören und dazu führen, dass Wärme in die „falsche“ Richtung fließt. Dies ist das Prinzip, das in Ihrem Kühlschrank verwendet wird, um Ihre Lebensmittel kalt zu halten, und in effizienten Wärmepumpen, die Wärme stehlen können kalte Luft draußen, um Ihr Haus zu heizen. In ihrer Veröffentlichung demonstrieren Gary Steele und Kollegen ein Quantenanalog einer Wärmepumpe, die elementare Quantenlichtteilchen verursacht, bekannt als Photonenum sich „stromaufwärts“ von einem heißen Objekt zu einem kalten Objekt zu bewegen.

Signale der Dunklen Materie

Während die Forscher ihr Gerät bereits in einer früheren Studie als Kältebad für heiße hochfrequente Photonen genutzt hatten, konnten sie es nun gleichzeitig in einen Verstärker verwandeln. Mit einem eingebauten Verstärker reagiert das Gerät empfindlicher auf Hochfrequenzsignale, genau wie bei verstärkten Mikrowellensignalen, die aus supraleitenden Quantenprozessoren kommen.

„Es ist sehr spannend, weil wir nah dran sein können Quantengrenze Maß Hochfrequenzsignale, Frequenzen, die sonst schwer zu messen sind. Dieses neue Messwerkzeug kann viele Anwendungen haben, darunter diejenigen, nach denen gesucht werden muss Dunkle Materie“, sagt Steele.

Quantenwärmepumpe

Das als Photonenkompressionsschaltung bekannte Gerät besteht aus supraleitenden Induktoren und Kondensatoren auf einem Siliziumchip, der auf wenige Milligrad über der absoluten Nulltemperatur gekühlt wird. Während dies sehr kalt klingt, ist diese Temperatur für einige der Photonen im Kreislauf extrem heiß und sie werden durch thermische Energie angeregt. Mithilfe von Photonenkompression konnten die Forscher diese angeregten Photonen mit kalten Photonen einer höheren Frequenz verknüpfen, was ihnen in früheren Experimenten ermöglichte, heiße Photonen auf ihren Quantengrundzustand abzukühlen.

In dieser neuen Arbeit fügten die Autoren eine neue Wendung hinzu: Indem sie ein zusätzliches Signal an den kalten Schaltkreis sendeten, konnten sie einen Motor schaffen, der kalte Photonen verstärkt und erwärmt. Gleichzeitig „pumpt“ das zusätzliche Signal Photonen vorzugsweise in einer Richtung zwischen den beiden Kreisen. Indem Photonen stärker in eine Richtung als in die andere geschoben werden, sind Forscher in der Lage, Photonen in einem Teil des Kreislaufs auf eine niedrigere Temperatur als den anderen abzukühlen, wodurch eine Quantenversion des erzeugt wird Wärmepumpe für Photonen in einem supraleitenden Schaltkreis.