À première vue, la chaleur et le froid n’ont pas grand-chose à voir avec la physique quantique. Un seul atome n’est ni chaud ni froid. La température ne peut traditionnellement être définie que pour des objets constitués de nombreuses particules. Mais à TU Wien, en collaboration avec FU Berlin, Nanyang Technological University à Singapour et l’Université de Lisbonne, il a maintenant été probable de montrer quelles possibilités se présentent lorsque la thermodynamique et la physique quantique sont combinées : on peut spécifiquement utiliser des effets quantiques pour refroidir un nuage d’atomes ultrafroids encore plus loin.
Quelles que soient les méthodes de refroidissement sophistiquées utilisées auparavant – avec cette technique, qui a maintenant été présentée dans la revue scientifique “Physical Review X-Quantum”, il est doable de se rapprocher un peu as well as du zéro absolu. Beaucoup de travail est encore nécessaire avant que ce nouveau notion de refroidissement puisse être transformé en un véritable réfrigérateur quantique, mais les premières expériences montrent déjà que les étapes nécessaires sont en principe possibles.
Un nouveau domaine de recherche : la thermodynamique quantique
« Pendant longtemps, la thermodynamique a joué un rôle essential pour les equipment mécaniques classiques – pensez aux moteurs à vapeur ou aux moteurs à combustion, par exemple. Aujourd’hui, les machines quantiques se développent à petite échelle. Et là, la thermodynamique n’a guère joué de rôle. là-bas jusqu’à présent”, déclare le professeur Eisert de l’Université libre de Berlin.
« Si vous voulez construire une equipment à chaleur quantique, vous devez remplir deux exigences qui sont fondamentalement contradictoires », explique le professeur Marcus Huber de la TU Wien. “Ce doit être un système composé de nombreuses particules et dans lequel vous ne pouvez pas contrôler chaque détail exactement. Sinon, vous ne pouvez pas parler de chaleur. Et en même temps, le système doit être suffisamment straightforward et contrôlable avec suffisamment de précision pour ne pas détruire les effets quantiques. Sinon, on ne peut pas parler de device quantique.”
« En 2018, nous avons eu l’idée de transférer les principes de base des devices thermiques aux systèmes quantiques en utilisant des descriptions de champs quantiques des systèmes quantiques à N corps », explique le professeur Jörg Schmiedmayer (TU Wien). L’équipe de recherche de la TU Wien et de la FU Berlin a maintenant examiné en détail comment de telles machines à chaleur quantique peuvent être conçues. Ils ont été guidés par le principe de fonctionnement d’un réfrigérateur ordinaire : au départ, tout a la même température : l’intérieur du réfrigérateur, l’environnement et le liquide de refroidissement. Mais lorsque vous évaporez le liquide de refroidissement à l’intérieur du réfrigérateur, la chaleur y est extraite. La chaleur est ensuite libérée à l’extérieur lorsque le liquide de refroidissement est à nouveau liquéfié. Ainsi, en augmentant et en abaissant la pression, il est feasible de refroidir l’intérieur et de transférer la chaleur à l’environnement.
La problem était de savoir s’il pouvait également exister une version quantique d’un tel processus. “Notre idée était d’utiliser pour cela un condensat de Bose-Einstein, un état extrêmement froid de la matière”, explique le professeur Jörg Schmiedmayer. « Ces dernières années, nous avons acquis beaucoup d’expérience dans le contrôle et la manipulation très précise de tels condensats à l’aide de champs électromagnétiques et de faisceaux laser, en étudiant certains des phénomènes fondamentaux à la frontière entre la physique quantique et la thermodynamique. La prochaine étape logique était la machine à chaleur quantique.”
Redistribution d’énergie au niveau atomique
Un condensat de Bose-Einstein est divisé en trois functions, qui ont initialement la même température. “Si vous couplez ces sous-systèmes exactement de la bonne manière et les séparez à nouveau les uns des autres, vous pouvez obtenir que la partie centrale agisse comme un piston, pour ainsi dire, et permette à l’énergie thermique d’être transférée d’un côté à l’autre, explique Marcus Huber. “En conséquence, l’un des trois sous-systèmes est refroidi.”
Même au début, le condensat de Bose-Einstein est dans un état de très basse énergie – mais pas tout à fait dans l’état d’énergie le additionally bas possible. Certains quanta d’énergie sont toujours présents et peuvent changer d’un sous-système à un autre – ce sont les « excitations du champ quantique ».
“Ces excitations jouent le rôle du liquide de refroidissement dans notre cas”, explique Marcus Huber. “Cependant, il existe des différences fondamentales entre notre système et un réfrigérateur classique : dans un réfrigérateur classique, le flux de chaleur ne peut se produire que dans une seule direction, du chaud au froid. Dans un système quantique, c’est plus compliqué l’énergie peut également changer d’un sous-système à un autre et puis revenir à nouveau. Vous devez donc contrôler très précisément quand quels sous-systèmes doivent être connectés et quand ils doivent être découplés.
vous pouvez toujours ajouter le nouveau « réfrigérateur quantique » à la fin comme étape de refroidissement supplémentaire finale pour faire une partie de le système ultrafroid encore furthermore froid. « Si cela fonctionne avec des atomes froids, alors nos idées peuvent être mises en œuvre dans de nombreux autres systèmes quantiques et conduire à de nouvelles purposes de la technologie quantique », explique Jörg Schmiedmayer.