Fizycy mają nową zabawkę o licznych zastosowaniach. Jedno wydaje się szczególnie intrygujące

Naukowcy z placówek w Szwajcarii, Niemczech i Holandii stworzyli pompę ciepła w skali kwantowej wykonaną z cząsteczek światła. O szczegółach tego projektu możemy przeczytać w Science Advances.
Fizycy mają nową zabawkę o licznych zastosowaniach. Jedno wydaje się szczególnie intrygujące

Równowaga w fizyce pojawia się, gdy umieścimy obok siebie na przykład dwa obiekty o różnych temperaturach. W takich okolicznościach ciepło zacznie się przemieszczać z cieplejszego do chłodniejszego obiektu, osiągając w pewnym momencie równowagę. Gdyby jednak zakłócić ten przepływ, moglibyśmy uzyskać tzw. pompę ciepła. Jej skonstruowanie jest możliwe również w skali kwantowej.

Czytaj też: Jak podróż na Marsa wpłynie na ludzi?

Za takim właśnie pomysłem optuje Gary Steele i jego współpracownicy, którzy opisali kwantowy analog pompy ciepła. Dzięki niej możliwa jest sytuacja, w której fotony poruszają się “pod prąd”. Już wcześniej naukowcy wykorzystali swoje urządzenie w odniesieniu do fotonów o częstotliwości radiowej, ale tym razem przekształcili je dodatkowo we wzmacniacz. W efekcie stało się ono bardziej wrażliwe na sygnały o częstotliwości radiowej.

To bardzo ekscytujące, ponieważ możemy zbliżyć się do granicy kwantowej pomiaru sygnałów o częstotliwości radiowej, częstotliwości, które są trudne do zmierzenia w inny sposób. To nowe narzędzie pomiarowe może mieć mnóstwo zastosowań, jednym z nich jest poszukiwanie ciemnej materii.

wyjaśnia Steele

Opisywane urządzenie jest wykonane z nadprzewodzących cewek i kondensatorów na krzemowym chipie schłodzonym do temperatury bliskiej zera absolutnego. Mimo tak skrajnych warunków taka temperatura może być i tak zbyt wysoka dla części fotonów w obwodzie. Używając ciśnienia fotonów, naukowcy byli w stanie łączyć te wzbudzone fotony z zimnymi o wyższej częstotliwości. We wcześniejszych eksperymentach umożliwiło to schłodzenie rozgrzanych fotonów do ich kwantowego stanu podstawowego.

Czytaj też: Upiorny szum z najdalszej otchłani kosmosu. Nagranie w sieci ukazuje, jakie dźwięki wydaje czarna dziura

Teraz autorzy poszli o krok dalej. Wykorzystując dodatkowy sygnał, który został przesłany do zimnego obwodu, udało im się stworzyć silnik wzmacniający zimne fotony i umożliwiający ich podgrzewanie. Dodatkowy sygnał napędza też fotony w jednym kierunku pomiędzy dwoma obwodami. Kiedy pojawia się asymetria, tj. fotony poruszają się w jednym kierunku bardziej niż w drugim, istnieje możliwość schłodzenia fotonów w jednej części obwodu do temperatury, która jest niższa niż w drugiej. To z kolei tworzy kwantową wersję pompy ciepła.