Forskare i Singapore har byggt ett kylskåp som bara är tre atomer stort. Detta quantum kylskåp kommer inte att hålla dina drycker kalla, men det är ett coolt bevis på att fysik fungerar i minsta skala. Arbetet beskrivs i en tidning publicerad 14 januari i Naturkommunikation .

Forskare har byggt små värmemotorer tidigare, men tidigare kvantkylskåp var bara teoretiska, tills teamet vid Center for Quantum Technologies vid National University of Singapore kylde med sina atomer. Enheten är ett "absorptionskylskåp". Den fungerar utan rörliga delar, använda värme för att driva en kylningsprocess.

De första absorptionskylskåpen, introducerades på 1850-talet, cyklade avdunstning och absorption av en vätska, med avkylning under förångningssteget. De användes i stor utsträckning för att göra is och kyla mat in på 1900-talet. Albert Einstein hade till och med patent på en förbättrad design. Dagens kylskåp och luftkonditioneringsapparater använder oftare en kompressor, men absorptionskylskåp har fortfarande sina användningsområden—vetenskapliga experiment ingår.

"Vår enhet är den första implementeringen av absorptionskylningscykeln på nanoskala, " säger medförfattaren Stefan Nimmrichter. För att skapa ett absorptionskyl med bara tre atomer krävdes utsökt kontroll. "Som experimentell vetenskapsman, det är en ren fröjd att kunna manipulera enskilda atomer, " säger Gleb Maslennikov, tidningens första författare.

Först, forskarna fångade och höll tre atomer av grundämnet Ytterbium i en metallkammare från vilken de hade tagit bort all luft. De drog också en elektron från varje atom för att lämna dem med en positiv laddning. De laddade atomerna – kallade joner – kan sedan hållas på plats med elektriska fält. Under tiden, forskarna knuffar och zappar jonerna med lasrar för att få dem till deras lägsta energitillstånd av rörelse. Resultatet är att jonerna är suspenderade nästan helt stilla, uppträdda i en rad.

En annan laserzap injicerar sedan lite värme, får jonerna att vicka. Jonerna interagerar med varandra på grund av deras liknande laddningar. Resultatet är tre mönster av vickning—squishing och sträcker sig längs linjen som en Slinky, gungar som en gungbräda som svänger runt den centrala atomen, och sicksackar ut från linjen som ett viftande hopprep.

Energin i varje vickningsläge kvantiseras, med energin som bärs av ett antal så kallade fononer. Genom att ställa in vickningsfrekvenserna, forskarna ställer upp villkor för kylning så att en fonon som rör sig från gungbrädan till Slinky-läget kommer att dra en fonon från sicksackläget med sig. Sicksackläget tappar alltså energi, och dess temperatur sjunker. Som kallast, det är inom 40 mikrokelvin av absolut noll (-273C), kallaste möjliga temperatur. Varje omgång av jonberedning och fononräkning tog upp till 70 millisekunder, med avkylning i cirka en millisekund. Denna process upprepades tusentals gånger.

Att studera så små enheter är viktigt för att se hur termodynamik – vår bästa förståelse för värmeflöden – kan behöva justeras för att återspegla mer grundläggande lagar. Termodynamikens principer är baserade på medelbeteendet hos stora system. De tar inte hänsyn till kvanteffekter, vilket är viktigt för forskare som bygger nanomaskiner och kvantenheter.

För att testa kvanttermodynamik, forskarna gjorde noggranna mätningar av hur fononer spreds genom lägena över tiden. Särskilt, forskarna testade om en kvanteffekt känd som "klämning" skulle öka kvantkylens prestanda. Klämning innebär att mer exakt fixera jonernas position. På grund av principen om kvantosäkerhet, som ökar fluktuationen i momentum. I tur och ordning, detta ökar det genomsnittliga antalet fononer i vippläget som driver kylningen.

Till lagets förvåning, klämning hjälpte inte kylen. "Om du har en begränsad mängd energi att spendera, det är bättre att förvandla det direkt till värme än att använda det för att förbereda ett pressat tillstånd, " säger Dzmitry Matsukevich, som ledde experimentarbetet.

Dock, de hittade den maximala mängden kylning, vilket uppnåddes med en metod som kallas "single shot, " överstiger vad klassisk jämviktstermodynamik förutspår. I detta tillvägagångssätt, teamet stoppar nedkylningseffekten genom att justera vickningslägena innan systemet når sin naturliga slutpunkt. Kylningen överskrider jämvikten.

Fysikern Valerio Scarani, en annan medlem i laget, ser fram emot att ta saker vidare. "Nästa fråga är, kan du kyla vad du vill med den? Än så länge, vi har motorn till kylen, men inte lådan för ölen, " han säger.