Investigadores en Singapur han construido un refrigerador de solo tres átomos de tamaño.
Esta nevera cuántica no mantendrá tus bebidas frías, pero es una prueba genial de que la física opera a las escalas más pequeñas. El trabajo se describe en un artículo publicado el 14 de enero en Comunicaciones de la naturaleza .
Los investigadores han construido pequeños 'motores térmicos' antes, pero los refrigeradores cuánticos existían solo como propuestas hasta que el equipo del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur se enfrió con sus átomos.
El dispositivo es un "refrigerador de absorción". Funciona sin partes móviles, utilizando calor para impulsar un proceso de enfriamiento.
Los primeros refrigeradores de absorción, introducidos en la década de 1850, realizaban un ciclo de evaporación y absorción de un líquido, y el enfriamiento se realizaba durante la etapa de evaporación. Se utilizaron ampliamente para hacer hielo y enfriar alimentos en el siglo XX. Albert Einstein incluso tenía una patenteen un diseño mejorado.
Los refrigeradores y acondicionadores de aire de hoy usan con mayor frecuencia un compresor, pero los refrigeradores de absorción aún tienen sus usos, incluidos los experimentos científicos.
"Nuestro dispositivo es la primera implementación del ciclo de refrigeración por absorción en la nanoescala", dice el coautor Stefan Nimmrichter.
Crear un refrigerador de absorción con solo tres átomos requirió un control exquisito. "Como científico experimental, es un placer poder manipular átomos individuales", dice Gleb Maslennikov, el primer autor del artículo.
Primero, los investigadores capturaron y mantuvieron tres átomos del elemento iterbio en una cámara de metal de la que habían extraído todo el aire. También sacaron un electrón de cada átomo para dejarlos con una carga positiva.
Los átomos cargados, llamados iones, pueden mantenerse en su lugar con campos eléctricos. Mientras tanto, los investigadores empujan y golpean los iones con láseres para llevarlos a su estado de movimiento de energía más baja. El resultado es que los iones sonsuspendido casi perfectamente quieto, tendido en una línea.
Otro golpe láser inyecta algo de calor, haciendo que los iones se muevan. Los iones interactúan entre sí debido a sus cargas similares. El resultado son tres patrones de meneo: aplastando y estirando a lo largo de la línea, como un deslizamiento, meciéndose comoun balancín girando alrededor del átomo central, y zigzagueando desde la línea como una cuerda para saltar.
La energía en cada modo de meneo se cuantifica, con la energía transportada por una serie de 'fonones'. Al sintonizar las frecuencias de meneo, los investigadores establecieron las condiciones para la refrigeración: haciendo que un fonón se moviera desde el balancín ael modo furtivo arrastrará un fonón del modo zig-zag con él. El modo zig-zag pierde energía y su temperatura desciende. En su punto más frío, está dentro de los 40 microKelvin del cero absoluto -273C, la temperatura más fríaCada ronda de preparación de iones y conteo de fonones tomó hasta 70 milisegundos, y el enfriamiento ocurrió durante aproximadamente 1 ms. Este proceso se repitió miles de veces.
Estudiar dispositivos tan pequeños es importante para ver cómo la termodinámica, nuestra mejor comprensión de los flujos de calor, puede necesitar ajustes para reflejar leyes más fundamentales. Los principios de la termodinámica se basan en los comportamientos promedio de los sistemas grandes. No tomanefectos cuánticos en cuenta, lo que es importante para los científicos que construyen nanomáquinas y dispositivos cuánticos.
Para probar la termodinámica cuántica, los investigadores realizaron mediciones cuidadosas de cómo los fonones se propagan a través de los modos a lo largo del tiempo.
En particular, los investigadores probaron si un efecto cuántico conocido como 'apretar' aumentaría el rendimiento del refrigerador cuántico.
Apretar significa que el equipo fijó con mayor precisión la posición de los iones. Debido al principio de incertidumbre cuántica, eso aumenta la fluctuación en el momento. A su vez, esto aumenta el número promedio de fonones en el modo de balancín que impulsa el enfriamiento.
Para sorpresa del equipo, apretar no ayudó al refrigerador. "Si tiene una cantidad finita de energía para gastar, es mejor convertirla directamente en calor que usarla preparando un estado exprimido", dice Dzmitry Matsukevich, quien dirigióel trabajo experimental.
Sin embargo, encuentran que la cantidad máxima de enfriamiento, lograda con un método denominado 'disparo único', excede lo que predice la termodinámica de equilibrio clásica. En este enfoque, el equipo detiene el efecto de refrigeración desajustando los modos de meneo antes de que alcance supunto final natural. El enfriamiento sobrepasa el equilibrio.
El físico Valerio Scarani, otro miembro del equipo, espera llevar las cosas más lejos. "La siguiente pregunta es, ¿puedes enfriar lo que quieres con él? Hasta ahora, tenemos el motor del refrigerador, pero no la caja.por la cerveza ", dice.
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Materiales proporcionados por Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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