Investigadores en Singapur han construido un refrigerador que tiene solo tres átomos de tamaño. Esta nevera cuántica no mantendrá frías tus bebidas pero es una prueba genial de que la física opera en las escalas más pequeñas. El trabajo se describe en un artículo publicado el 14 de enero en Comunicaciones de la naturaleza .

Los investigadores han construido pequeños motores térmicos antes, pero los frigoríficos cuánticos anteriores eran solo teóricos, hasta que el equipo del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur se enfrió con sus átomos. El dispositivo es un "refrigerador de absorción". Funciona sin partes móviles, usando calor para impulsar un proceso de enfriamiento.

Los primeros frigoríficos de absorción, introducido en la década de 1850, ciclado la evaporación y absorción de un líquido, con enfriamiento sucediendo durante la etapa de evaporación. Fueron ampliamente utilizados para hacer hielo y enfriar alimentos en el siglo XX. Albert Einstein incluso tenía una patente sobre un diseño mejorado. Los refrigeradores y acondicionadores de aire de hoy usan con mayor frecuencia un compresor, pero los refrigeradores de absorción todavía tienen sus usos, incluidos los experimentos científicos.

"Nuestro dispositivo es la primera implementación del ciclo de refrigeración por absorción a nanoescala, "dice el coautor Stefan Nimmrichter. Para crear un refrigerador de absorción con solo tres átomos se requería un control exquisito". Como científico experimental, es un placer poder manipular átomos individuales, "dice Gleb Maslennikov, el primer autor del artículo.

Primero, los investigadores capturaron y mantuvieron tres átomos del elemento iterbio en una cámara de metal de la que habían extraído todo el aire. También sacaron un electrón de cada átomo para dejarlos con una carga positiva. Los átomos cargados, llamados iones, pueden entonces mantenerse en su lugar con campos eléctricos. Mientras tanto, los investigadores empujan y golpean los iones con láseres para llevarlos a su estado de movimiento de energía más baja. El resultado es que los iones están suspendidos casi perfectamente quietos, encadenados en una línea.

Otro golpe láser luego inyecta algo de calor, haciendo que los iones se muevan. Los iones interactúan entre sí debido a sus cargas similares. El resultado son tres patrones de meneo:aplastar y estirar a lo largo de la línea como un Slinky, meciéndose como un balancín girando alrededor del átomo central, y zigzagueando desde la línea como una cuerda para saltar.

La energía en cada modo de meneo se cuantifica, con la energía transportada por varios de los llamados fonones. Al sintonizar las frecuencias ondulantes, los investigadores establecieron las condiciones para la refrigeración de modo que un fonón que se mueve desde el balancín al modo Slinky arrastrará consigo un fonón desde el modo zig-zag. El modo zig-zag pierde energía, y su temperatura desciende. En su punto más frío, está dentro de los 40 microKelvin del cero absoluto (-273C), la temperatura más fría posible. Cada ronda de preparación de iones y recuento de fonones tomó hasta 70 milisegundos, con enfriamiento ocurriendo durante alrededor de un milisegundo. Este proceso se repitió miles de veces.

Estudiar dispositivos tan pequeños es importante para ver cómo la termodinámica, nuestra mejor comprensión de los flujos de calor, puede necesitar ajustes para reflejar leyes más fundamentales. Los principios de la termodinámica se basan en los comportamientos promedio de los grandes sistemas. No tienen en cuenta los efectos cuánticos, lo que es importante para los científicos que construyen nanomáquinas y dispositivos cuánticos.

Para probar la termodinámica cuántica, los investigadores realizaron mediciones cuidadosas de cómo los fonones se propagan a través de los modos a lo largo del tiempo. En particular, los investigadores probaron si un efecto cuántico conocido como "exprimir" aumentaría el rendimiento del refrigerador cuántico. Exprimir significa fijar con mayor precisión la posición de los iones. Debido al principio de incertidumbre cuántica, que aumenta la fluctuación en el impulso. Sucesivamente, esto aumenta el número promedio de fonones en el modo de balancín que impulsa el enfriamiento.

Para sorpresa del equipo, apretar no ayudó a la nevera. "Si tiene una cantidad limitada de energía para gastar, es mejor convertirlo directamente en calor que usarlo preparando un estado exprimido, "dice Dzmitry Matsukevich, quien dirigió el trabajo experimental.

Sin embargo, encontraron la máxima cantidad de enfriamiento, que se logró con un método denominado "disparo único, "supera lo que predice la termodinámica de equilibrio clásica. En este enfoque, el equipo detiene el efecto de refrigeración desajustando los modos de meneo antes de que el sistema alcance su punto final natural. El enfriamiento sobrepasa el equilibrio.

El físico Valerio Scarani, otro miembro del equipo, espera llevar las cosas más lejos. "La siguiente pregunta es, ¿Puedes enfriar lo que quieras con él? Hasta aquí, tenemos el motor de la nevera, pero no la caja de la cerveza, " él dice.