A primera vista, el calor y el frío no tienen mucho que ver con la física cuántica. Un solo átomo no es ni caliente ni frío. Tradicionalmente, la temperatura solo se puede definir para objetos que constan de muchas partículas. Pero en TU Wien, en colaboración con FU Berlin, Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y la Universidad de Lisboa, Ahora ha sido posible mostrar qué posibilidades surgen cuando se combinan la termodinámica y la física cuántica:se pueden usar específicamente efectos cuánticos para enfriar aún más una nube de átomos ultrafríos.

Independientemente de los sofisticados métodos de enfriamiento que se hayan utilizado antes, con esta técnica, que ahora se ha presentado en la revista científica Revisión física X-Quantum , es posible acercarse un poco más al cero absoluto. Todavía se necesita mucho trabajo antes de que este nuevo concepto de refrigeración se pueda convertir en un frigorífico cuántico real, pero los experimentos iniciales ya muestran que los pasos necesarios son posibles en principio.

Un nuevo campo de investigación:la termodinámica cuántica

"Por mucho tiempo, La termodinámica ha jugado un papel importante para las máquinas mecánicas clásicas:piense en las máquinas de vapor o de combustión, por ejemplo. Hoy dia, Las máquinas cuánticas se están desarrollando a pequeña escala. Y ahí, la termodinámica apenas ha jugado un papel allí hasta ahora ", dice el profesor Eisert de la Universidad Libre de Berlín.

"Si quieres construir una máquina de calor cuántica, tienes que cumplir dos requisitos que son fundamentalmente contradictorios, ", dice el profesor Marcus Huber de TU Wien." Tiene que ser un sistema que consta de muchas partículas y en el que no se pueden controlar todos los detalles con exactitud. De lo contrario, no se puede hablar de calor. Y al mismo tiempo, el sistema debe ser lo suficientemente simple y controlable con suficiente precisión para no destruir los efectos cuánticos. De lo contrario, no se puede hablar de una máquina cuántica ".

"En 2018, se nos ocurrió la idea de transferir los principios básicos de las máquinas térmicas a los sistemas cuánticos mediante el uso de descripciones de campos cuánticos de sistemas cuánticos de muchos cuerpos, ", dice el profesor Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Ahora, el equipo de investigación de TU Wien y FU Berlin examinó en detalle cómo se pueden diseñar tales máquinas de calor cuántico. Se guiaron por el principio de funcionamiento de un refrigerador ordinario:inicialmente, todo tiene la misma temperatura:el interior del frigorífico, el medio ambiente y el refrigerante. Pero cuando evaporas el refrigerante dentro del refrigerador, allí se extrae el calor. Luego, el calor se libera al exterior cuando el refrigerante se licúa nuevamente. Entonces, al subir y bajar la presión, es posible enfriar el interior y transferir el calor al ambiente.

La cuestión era si también podría existir una versión cuántica de ese proceso. "Nuestra idea era utilizar un condensado de Bose-Einstein para esto, un estado extremadamente frío de la materia, "dice el profesor Jörg Schmiedmayer." En los últimos años, Hemos ganado mucha experiencia en el control y manipulación de dichos condensados ​​con mucha precisión con la ayuda de campos electromagnéticos y rayos láser. investigando algunos de los fenómenos fundamentales en el límite entre la física cuántica y la termodinámica. El siguiente paso lógico fue la máquina de calor cuántica ".

Redistribución de energía a nivel atómico

Un condensado de Bose-Einstein se divide en tres partes, que inicialmente tienen la misma temperatura. "Si acopla estos subsistemas exactamente de la manera correcta y los separa de nuevo, se puede lograr que la parte del medio actúe como pistón, por así decirlo, y permite que la energía térmica se transfiera de un lado a otro, "explica Marcus Huber." Como resultado, uno de los tres subsistemas se enfría ".

Incluso al principio el condensado de Bose-Einstein se encuentra en un estado de muy baja energía, pero no en el estado de energía más bajo posible. Algunos cuantos de energía todavía están presentes y pueden cambiar de un subsistema a otro; estos se conocen como "excitaciones del campo cuántico".

"Estas excitaciones asumen el papel del refrigerante en nuestro caso, "dice Marcus Huber." Sin embargo, Existen diferencias fundamentales entre nuestro sistema y un frigorífico clásico:en un frigorífico clásico, El flujo de calor solo puede ocurrir en una dirección:de cálido a frío. En un sistema cuántico, es más complicado; la energía también puede cambiar de un subsistema a otro y luego regresar nuevamente. Por lo tanto, debe controlar con mucha precisión cuándo deben conectarse los subsistemas y cuándo deben desacoplarse ".

Hasta aquí, este refrigerador cuántico es sólo un concepto teórico, pero los experimentos ya han demostrado que los pasos necesarios son factibles. "Ahora que sabemos que la idea básicamente funciona, intentaremos implementarlo en el laboratorio, ", dice Joao Sabino (TU Wien)." Esperamos tener éxito en el futuro cercano ". Eso sería un paso adelante espectacular en la física criogénica, porque no importa qué otros métodos se utilicen para alcanzar temperaturas extremadamente bajas, Siempre puede agregar el novedoso 'refrigerador cuántico' al final como una etapa de enfriamiento adicional final para hacer que una parte del sistema ultrafrío sea aún más fría. "Si funciona con átomos fríos, entonces nuestras ideas se pueden implementar en muchos otros sistemas cuánticos y dar lugar a nuevas aplicaciones de tecnología cuántica, "dice Jörg Schmiedmayer.