见见量子冰箱

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CQT的研究人员已经建造了一个只有三个原子大的冰箱。这个量子冰箱不会让你的饮料变冷,但它是在最小尺度下运行的物理学的冷证明。

研究人员以前制造过微型“热机”,但量子电冰箱只是作为建议存在,直到CQT小组用他们的原子冷却。

该装置是一个“吸收式冰箱”。它不需要运动部件,利用热量来驱动冷却过程。第一台吸收式制冷机于19世纪50年代引入,循环蒸发和吸收液体,在蒸发阶段进行冷却。他们被广泛用于制造冰镇食品,直到20世纪。爱因斯坦甚至拥有一项改进设计的专利。

今天的冰箱和空调更常使用压缩机,但吸收式冰箱的使用仍然包括科学实验。”我们的设备是第一个在纳米尺度上实现吸收式制冷循环,”合著者StefanNimmrichter说。

用原子冷却

为了制造一个只有三个原子的吸收式冰箱,我们进行了精细的控制。”作为一名实验科学家,能够操纵单个原子是一种纯粹的乐趣,”论文的第一作者GlebMaslennikov说。

首先,研究人员在一个金属室中捕获并保持了元素镱的三个原子,并从中去除了所有的空气。他们还从每个原子中抽出一个电子,使它们带上正电荷。

带电的原子(称为离子)可以用电场固定住。同时,研究人员用激光推动和轰击离子,使它们进入最低能量的运动状态。结果是这些离子几乎完全静止不动,呈直线排列。

另一个激光轰击然后注入一些热量,使离子来回摆动。离子相互作用是因为它们具有相似的电荷。其结果是三种模式的摆动,在直线上蠕动和伸展,像一个细长的,像一个围绕中心原子旋转的跷跷板一样摇摆,像一条摇摆的跳绳一样从直线上蜿蜒而出。

每个摆动模式中的能量都是量子化的,能量由许多“声子”携带。通过调整摆动频率,研究人员为制冷设置了条件:使从锯子移动到slinky模式的声子将其从之字形模式拖动。因此,之字形模式会失去能量,温度会下降。在它最冷的时候,它在绝对零度(273摄氏度)的40微开尔文范围内,这是可能的最冷的温度。每一轮离子制备和声子计数耗时70毫秒,冷却时间约为1毫秒,这个过程重复了数千次。

研究这些小装置对于了解热力学是很重要的,我们对热流的最好理解可能需要调整以反映更基本的定律。热力学原理是以大系统的平均行为为基础的。他们不考虑量子效应,这对科学家制造纳米机器和量子设备很重要。

为了测试量子热力学,研究人员仔细测量了声子如何随时间在模式中传播。特别是,研究人员测试了被称为“压缩”的量子效应是否会提高量子冰箱的性能。

最大冷却

挤压意味着团队更精确地固定了离子的位置。由于量子不确定性原理,这增加了动量的波动。反过来,这会增加“see-saw”模式下驱动冷却的平均声子数。

令团队惊讶的是,挤压对冰箱没有帮助。”如果你有有限的能量消耗,最好直接把它转化成热能,而不是用它来准备压缩状态,”负责这项实验工作的Dzmitry Matsukevich说。

然而,他们发现用一种被称为“单发”的方法获得的最大冷却量超过了经典平衡热力学预测的。在这种方法中,团队通过在摆动模式达到其自然终点之前对其进行去调优来停止制冷效果。冷却超过了平衡。

瓦莱里奥·斯卡拉尼期待着进一步发展。”下一个问题是,你能用它来冷却你想要的东西吗?到目前为止,我们有冰箱的引擎,但没有啤酒盒,”他说。

论文作者还包括:重庆大学校友丁世谦、罗兰哈布特泽尔、卢莱特和戴季波。

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