À primeira vista, calor e frio não têm muito a ver com a física quântica. Um único átomo não é quente nem frio. Tradicionalmente, a temperatura só pode ser definida para objetos que consistem em muitas partículas. Mas na TU Wien, em colaboração com a FU Berlin, Universidade Tecnológica de Nanyang em Singapura e Universidade de Lisboa, agora foi possível mostrar quais possibilidades surgem quando a termodinâmica e a física quântica são combinadas:pode-se usar especificamente os efeitos quânticos para resfriar ainda mais uma nuvem de átomos ultracold.

Não importa quais métodos de resfriamento sofisticados foram usados ​​antes - com esta técnica, que já foi apresentado na revista científica Revisão Física X-Quantum , é possível chegar um pouco mais perto do zero absoluto. Ainda é necessário muito trabalho antes que este novo conceito de resfriamento possa ser transformado em um refrigerador quântico real, mas os experimentos iniciais já mostram que os passos necessários são possíveis em princípio.

Um novo campo de pesquisa:termodinâmica quântica

"Por muito tempo, a termodinâmica tem desempenhado um papel importante para máquinas mecânicas clássicas - pense em motores a vapor ou motores de combustão, por exemplo. Hoje, máquinas quânticas estão sendo desenvolvidas em uma escala minúscula. E lá, a termodinâmica dificilmente desempenhou um papel lá até agora ", disse o Prof. Eisert, da Universidade Livre de Berlim.

"Se você quiser construir uma máquina de calor quântico, você tem que cumprir dois requisitos que são fundamentalmente contraditórios, "diz o Prof. Marcus Huber da TU Wien." Tem que ser um sistema que consiste em muitas partículas e no qual você não pode controlar todos os detalhes com exatidão. Caso contrário, você não pode falar de calor. E ao mesmo tempo, o sistema deve ser simples o suficiente e controlável com precisão suficiente para não destruir os efeitos quânticos. De outra forma, você não pode falar sobre uma máquina quântica. "

"Em 2018, tivemos a ideia de transferir os princípios básicos das máquinas térmicas para sistemas quânticos usando descrições de campos quânticos de sistemas quânticos de muitos corpos, "diz o Prof. Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Agora, a equipe de pesquisa da TU Wien e da FU Berlin examinou em detalhes como essas máquinas de calor quântico podem ser projetadas. Elas foram guiadas pelo princípio de operação de uma geladeira comum:inicialmente, tudo tem a mesma temperatura - o interior da geladeira, o meio ambiente e o refrigerante. Mas quando você evapora o refrigerante dentro da geladeira, o calor é extraído lá. O calor é então liberado para fora quando o refrigerante é liquefeito novamente. Portanto, ao aumentar e diminuir a pressão é possível resfriar o interior e transferir o calor para o meio ambiente.

A questão era se também poderia haver uma versão quântica de tal processo. "Nossa ideia era usar um condensado de Bose-Einstein para isso, um estado de matéria extremamente frio, "diz o Prof. Jörg Schmiedmayer." Nos últimos anos, ganhamos muita experiência no controle e manipulação de tais condensados ​​com muita precisão com a ajuda de campos eletromagnéticos e feixes de laser, investigando alguns dos fenômenos fundamentais na fronteira entre a física quântica e a termodinâmica. O próximo passo lógico era a máquina de calor quântico. "

Redistribuição de energia em nível atômico

Um condensado de Bose-Einstein é dividido em três partes, que inicialmente têm a mesma temperatura. "Se você acoplar esses subsistemas exatamente da maneira certa e separá-los uns dos outros novamente, você pode conseguir que a parte do meio atue como um pistão, por assim dizer, e permite que a energia térmica seja transferida de um lado para o outro, "explica Marcus Huber." Como resultado, um dos três subsistemas é resfriado. "

Mesmo no inicio, o condensado de Bose-Einstein está em um estado de energia muito baixa - mas não exatamente no estado de energia mais baixo possível. Alguns quanta de energia ainda estão presentes e podem mudar de um subsistema para outro - são conhecidos como "excitações do campo quântico".

“Essas excitações assumem o papel do refrigerante em nosso caso, "diz Marcus Huber." No entanto, existem diferenças fundamentais entre o nosso sistema e um refrigerador clássico:Em um refrigerador clássico, o fluxo de calor só pode ocorrer em uma direção - de quente para frio. Em um sistema quântico, é mais complicado; a energia também pode mudar de um subsistema para outro e depois retornar novamente. Portanto, você tem que controlar com muita precisão quando quais subsistemas devem ser conectados e quando eles devem ser desacoplados. "

Até aqui, esse refrigerador quântico é apenas um conceito teórico - mas experimentos já mostraram que as etapas necessárias são viáveis. "Agora que sabemos que a ideia basicamente funciona, vamos tentar implementá-lo no laboratório, "diz João Sabino (TU Wien)." Esperamos ter sucesso no futuro próximo. "Isso seria um passo espetacular na física criogênica - porque não importa quais outros métodos você use para atingir temperaturas extremamente baixas, você sempre pode adicionar o novo "refrigerador quântico" no final como um estágio de resfriamento adicional final para tornar uma parte do sistema ultracold ainda mais frio. "Se funcionar com átomos frios, então nossas ideias podem ser implementadas em muitos outros sistemas quânticos e levar a novas aplicações de tecnologia quântica, "diz Jörg Schmiedmayer.