Físicos da TU Delft, ETH Zürich e da Universidade de Tübingen construíram uma bomba de calor em escala quântica feita de partículas de luz. Este dispositivo aproxima os cientistas do limite quântico de medição de sinais de radiofrequência, que podem ser úteis na busca por matéria escura. Seu trabalho será publicado como um artigo de acesso aberto em Science Advances em 26 de agosto.
Se você juntar dois objetos de temperaturas diferentes, como colocar uma garrafa quente de vinho branco em uma bolsa de resfriamento, o calor geralmente flui em uma direção, do quente (o vinho) para o frio (o pacote de resfriamento). E se você esperar o suficiente, os dois atingirão a mesma temperatura, um processo conhecido na física como atingir o equilíbrio:um equilíbrio entre o fluxo de calor de uma maneira e de outra.

Se você estiver disposto a fazer algum trabalho, poderá quebrar esse equilíbrio e fazer com que o calor flua da maneira "errada". Este é o princípio usado em sua geladeira para manter sua comida fria e em bombas de calor eficientes que podem roubar calor do ar frio do lado de fora para aquecer sua casa. Em sua publicação, Gary Steele e seus co-autores demonstram um análogo quântico de uma bomba de calor, fazendo com que as partículas quânticas elementares de luz, conhecidas como fótons, se movam "contra o fluxo" de um objeto quente para um frio.

Sinais de matéria escura

Embora os pesquisadores já tivessem usado seu dispositivo como um banho frio para fótons quentes de radiofrequência em um estudo anterior, agora conseguiram transformá-lo simultaneamente em um amplificador. Com o amplificador embutido, o dispositivo é mais sensível aos sinais de radiofrequência, assim como acontece com os sinais de micro-ondas amplificados que saem de processadores quânticos supercondutores.

"É muito emocionante, porque podemos chegar mais perto do limite quântico de medir os sinais de radiofrequência, frequências que são difíceis de medir de outra forma. Essa nova ferramenta de medição pode ter muitas aplicações, uma delas é procurar matéria escura", disse. diz Steele.

Uma bomba de calor quântica

O dispositivo, conhecido como circuito de pressão de fótons, é feito de indutores e capacitores supercondutores em um chip de silício resfriado a apenas alguns miligraus acima da temperatura de zero absoluto. Embora isso pareça muito frio, para alguns fótons no circuito, essa temperatura é muito quente e eles são excitados com energia térmica. Usando a pressão de fótons, os pesquisadores podem acoplar esses fótons excitados a fótons frios de frequência mais alta, o que em experimentos anteriores permitiu que eles resfriassem os fótons quentes em seu estado fundamental quântico.

Neste novo trabalho, os autores adicionam uma nova reviravolta:ao enviar um sinal extra para o circuito frio, eles são capazes de criar um motor que amplifica os fótons frios e os aquece. Ao mesmo tempo, o sinal extra "bombeia" os fótons preferencialmente em uma direção entre os dois circuitos. Ao empurrar os fótons com mais força em uma direção do que na outra, os pesquisadores são capazes de resfriar os fótons em uma parte do circuito a uma temperatura mais fria que a outra, criando uma versão quântica da bomba de calor para fótons em um circuito supercondutor . + Explorar mais

Resfriando as ondas de rádio para seu estado fundamental quântico