Físicos de TU Delft, ETH Zürich y la Universidad de Tübingen han construido una bomba de calor a escala cuántica hecha de partículas de luz. Este dispositivo acerca a los científicos al límite cuántico de medir señales de radiofrecuencia, lo que puede ser útil en la búsqueda de materia oscura. Su trabajo se publicará como un artículo de acceso abierto en Science Advances el 26 de agosto.

Si junta dos objetos de diferente temperatura, como poner una botella de vino blanco caliente en un paquete frío, el calor generalmente fluye en una dirección, de caliente (el vino) a frío (el paquete frío). Y si espera lo suficiente, los dos alcanzarán la misma temperatura, un proceso conocido en física como alcanzar el equilibrio:un equilibrio entre el flujo de calor en un sentido y en el otro.

Si está dispuesto a hacer algún trabajo, puede romper este equilibrio y hacer que el calor fluya de manera "incorrecta". Este es el principio utilizado en su refrigerador para mantener sus alimentos fríos y en bombas de calor eficientes que pueden robar calor del aire frío del exterior para calentar su casa. En su publicación, Gary Steele y sus coautores demuestran un análogo cuántico de una bomba de calor, que hace que las partículas cuánticas elementales de luz, conocidas como fotones, se muevan "contra la corriente" de un objeto caliente a uno frío.

Señales de materia oscura

Si bien los investigadores ya habían utilizado su dispositivo como un baño frío para fotones de radiofrecuencia calientes en un estudio anterior, ahora lograron convertirlo simultáneamente en un amplificador. Con el amplificador incorporado, el dispositivo es más sensible a las señales de radiofrecuencia, al igual que sucede con las señales de microondas amplificadas que salen de los procesadores cuánticos superconductores.

"Es muy emocionante, porque podemos acercarnos al límite cuántico de medir las señales de radiofrecuencia, frecuencias que son difíciles de medir de otra manera. Esta nueva herramienta de medición podría tener muchas aplicaciones, una de ellas es buscar materia oscura". dice Steele.

Una bomba de calor cuántica

El dispositivo, conocido como circuito de presión de fotones, está hecho de inductores y capacitores superconductores en un chip de silicio enfriado a solo unos pocos miligrados por encima de la temperatura cero absoluta. Si bien esto suena muy frío, para algunos de los fotones en el circuito, esta temperatura es muy alta y están excitados con energía térmica. Utilizando la presión de los fotones, los investigadores pueden acoplar estos fotones excitados a fotones fríos de mayor frecuencia, lo que en experimentos anteriores les permitió enfriar los fotones calientes a su estado fundamental cuántico.

En este nuevo trabajo, los autores añaden un nuevo giro:al enviar una señal adicional al circuito frío, pueden crear un motor que amplifica los fotones fríos y los calienta. Al mismo tiempo, la señal adicional "bombea" los fotones preferentemente en una dirección entre los dos circuitos. Al empujar los fotones con más fuerza en una dirección que en la otra, los investigadores pueden enfriar los fotones en una parte del circuito a una temperatura más fría que la otra parte, creando una versión cuántica de la bomba de calor para fotones en un circuito superconductor. . + Explora más

Enfriamiento de ondas de radio a su estado fundamental cuántico