Onderzoekers in Singapore hebben een koelkast gebouwd die slechts drie atomen groot is. Deze kwantumkoelkast houdt je drankjes niet koud, maar het is een cool bewijs dat natuurkunde op de kleinste schaal werkt. Het werk wordt beschreven in een paper gepubliceerd op 14 januari in Natuurcommunicatie .

Onderzoekers hebben eerder kleine warmtemotoren gebouwd, maar eerdere kwantumkoelkasten waren alleen theoretisch, totdat het team van het Center for Quantum Technologies van de National University of Singapore afkoelde met hun atomen. Het apparaat is een 'absorptiekoelkast'. Het werkt zonder bewegende delen, warmte gebruiken om een ​​koelproces aan te drijven.

De eerste absorptiekoelkasten, geïntroduceerd in de jaren 1850, cyclisch de verdamping en absorptie van een vloeistof, waarbij afkoeling plaatsvindt tijdens de verdampingsfase. Ze werden tot in de 20e eeuw veel gebruikt om ijs te maken en voedsel te koelen. Albert Einstein had zelfs een patent op een verbeterd ontwerp. De koelkasten en airconditioners van tegenwoordig gebruiken vaker een compressor, maar absorptiekoelkasten hebben nog steeds hun toepassingen - inclusief wetenschappelijke experimenten.

"Ons apparaat is de eerste implementatie van de absorptiekoelcyclus op nanoschaal, ", zegt co-auteur Stefan Nimmrichter. Om een ​​absorptiekoelkast met slechts drie atomen te maken, was een uitstekende controle vereist. "Als experimenteel wetenschapper, het is een puur genot om individuele atomen te kunnen manipuleren, " zegt Gleb Maslennikov, de eerste auteur van de krant.

Eerst, de onderzoekers vingen en hielden drie atomen van het element Ytterbium in een metalen kamer waaruit ze alle lucht hadden verwijderd. Ze trokken ook één elektron van elk atoom af om ze een positieve lading te geven. De geladen atomen - ionen genoemd - kunnen dan op hun plaats worden gehouden met elektrische velden. In de tussentijd, de onderzoekers duwen en zappen de ionen met lasers om ze in hun laagste energietoestand te brengen. Het resultaat is dat de ionen bijna volkomen stil hangen, in een rij gespannen.

Een andere laserzap injecteert dan wat warmte, waardoor de ionen wiebelen. De ionen interageren met elkaar vanwege hun gelijke ladingen. Het resultaat is drie patronen van wiebelen - knijpen en strekken langs de lijn als een Slinky, schommelend als een wip die rond het centrale atoom draait, en zigzaggend uit de lijn als een zwaaiend springtouw.

De energie in elke wiebelmodus wordt gekwantiseerd, met de energie gedragen door een aantal zogenaamde fononen. Door de wiebelfrequenties af te stemmen, de onderzoekers hebben de voorwaarden voor koeling zodanig opgesteld dat een fonon die van de wip naar de Slinky-modus gaat, een fonon uit de zigzagmodus meesleept. De zigzagmodus verliest dus energie, en de temperatuur daalt. Op zijn koudst, het is binnen 40 microKelvin van het absolute nulpunt (-273C), de koudst mogelijke temperatuur. Elke ronde van ionenvoorbereiding en fonontelling duurde tot 70 milliseconden, met koeling gedurende ongeveer een milliseconde. Dit proces werd duizenden keren herhaald.

Het bestuderen van dergelijke kleine apparaten is belangrijk om te zien hoe thermodynamica - ons beste begrip van warmtestromen - mogelijk moet worden aangepast om meer fundamentele wetten weer te geven. De principes van de thermodynamica zijn gebaseerd op het gemiddelde gedrag van grote systemen. Ze houden geen rekening met kwantumeffecten, wat belangrijk is voor wetenschappers die nanomachines en kwantumapparaten bouwen.

Om kwantumthermodynamica te testen, de onderzoekers hebben zorgvuldig gemeten hoe fononen zich in de loop van de tijd door de modi verspreiden. Vooral, de onderzoekers testten of een kwantumeffect dat bekend staat als 'knijpen' de prestaties van de kwantumkoelkast zou verbeteren. Knijpen betekent nauwkeuriger de positie van de ionen bepalen. Vanwege het kwantumonzekerheidsprincipe, dat verhoogt de fluctuatie in momentum. Beurtelings, dit verhoogt het gemiddelde aantal fononen in de wipmodus die de koeling aandrijft.

Tot verbazing van het team knijpen hielp de koelkast niet. "Als je een eindige hoeveelheid energie te besteden hebt, het is beter om het direct in warmte te veranderen dan om het in een geperste staat te gebruiken, " zegt Dzmitry Matsukevich, die het experimentele werk leidde.

Echter, ze vonden de maximale hoeveelheid koeling, die werd bereikt met een methode genaamd "single shot, " overtreft wat klassieke evenwichtsthermodynamica voorspelt. In deze benadering, het team stopt het koelingseffect door de wiebelmodi te de-tunen voordat het systeem zijn natuurlijke eindpunt bereikt. De koeling overschrijdt het evenwicht.

Natuurkundige Valerio Scarani, een ander lid van het team, kijkt ernaar uit om verder te gaan. "De volgende vraag is kun je ermee koelen wat je wilt? Tot dusver, we hebben de motor van de koelkast, maar niet de doos voor het bier, " hij zegt.