Natuurkundigen van de TU Delft, ETH Zürich en de Universiteit van Tübingen hebben een warmtepomp op kwantumschaal gebouwd die is gemaakt van lichtdeeltjes. Dit apparaat brengt wetenschappers dichter bij de kwantumlimiet voor het meten van radiofrequentiesignalen, wat nuttig kan zijn bij de jacht op donkere materie. Hun werk zal worden gepubliceerd als een open-access artikel in Science Advances op 26 augustus.

Als je twee voorwerpen met een verschillende temperatuur bij elkaar brengt, zoals een warme fles witte wijn in een cold chill pack doen, stroomt de warmte meestal in één richting, van heet (de wijn) naar koud (de chill pack). En als je maar lang genoeg wacht, zullen de twee beide dezelfde temperatuur bereiken, een proces dat in de natuurkunde bekend staat als het bereiken van evenwicht:een balans tussen de warmtestroom van de ene kant naar de andere.

Als je bereid bent om wat werk te verzetten, kun je dit evenwicht doorbreken en warmte op de "verkeerde" manier laten stromen. Dit is het principe dat wordt gebruikt in uw koelkast om uw voedsel koud te houden, en in efficiënte warmtepompen die warmte van de koude buitenlucht kunnen stelen om uw huis te verwarmen. In hun publicatie demonstreren Gary Steele en zijn co-auteurs een kwantumanaloog van een warmtepomp, waardoor de elementaire kwantumdeeltjes van licht, bekend als fotonen, "tegen de stroom in" van een heet object naar een koud object bewegen.

Donkere materie signalen

Terwijl de onderzoekers hun apparaat in een eerder onderzoek al gebruikten als koud bad voor hete radiofrequente fotonen, zijn ze er nu in geslaagd om er tegelijkertijd een versterker van te maken. Met de ingebouwde versterker is het apparaat gevoeliger voor radiofrequentiesignalen, net als wat er gebeurt met versterkte microgolfsignalen die uit supergeleidende kwantumprocessors komen.

"Het is heel opwindend, omdat we dichter bij de kwantumlimiet kunnen komen voor het meten van de radiofrequentiesignalen, frequenties die anders moeilijk te meten zijn. Dit nieuwe meetinstrument kan veel toepassingen hebben, waaronder het zoeken naar donkere materie." zegt Steele.

Een kwantumwarmtepomp

Het apparaat, bekend als een fotondrukcircuit, is gemaakt van supergeleidende inductoren en condensatoren op een siliciumchip die is gekoeld tot slechts enkele milligraden boven het absolute nulpunt. Hoewel dit erg koud klinkt, is deze temperatuur voor sommige fotonen in het circuit erg heet en worden ze opgewonden met thermische energie. Met behulp van fotondruk kunnen de onderzoekers deze opgewonden fotonen koppelen aan koude fotonen met een hogere frequentie, waardoor ze in eerdere experimenten de hete fotonen konden afkoelen tot hun kwantumgrondtoestand.

In dit nieuwe werk voegen de auteurs een nieuwe draai toe:door een extra signaal naar het koude circuit te sturen, zijn ze in staat een motor te creëren die de koude fotonen versterkt en opwarmt. Tegelijkertijd "pompt" het extra signaal de fotonen bij voorkeur in één richting tussen de twee circuits. Door fotonen harder in de ene richting te duwen dan de andere, kunnen de onderzoekers de fotonen in het ene deel van het circuit afkoelen tot een temperatuur die kouder is dan het andere deel, waardoor een kwantumversie van de warmtepomp voor fotonen in een supergeleidend circuit ontstaat . + Verder verkennen

Radiogolven afkoelen tot hun kwantumgrondtoestand