Vid första ögonkastet, värme och kyla har inte mycket med kvantfysik att göra. En enda atom är varken varm eller kall. Temperatur kan traditionellt endast definieras för objekt som består av många partiklar. Men på TU Wien, i samarbete med FU Berlin, Nanyang Technological University i Singapore och University of Lissabon, det har nu varit möjligt att visa vilka möjligheter som uppstår när termodynamik och kvantfysik kombineras:Man kan specifikt använda kvanteffekter för att kyla ett moln av ultrakalla atomer ytterligare.

Oavsett vilka sofistikerade kylningsmetoder som har använts tidigare — med denna teknik, som nu har presenterats i den vetenskapliga tidskriften Fysisk recension X-Quantum , det går att komma lite närmare den absoluta nollpunkten. Mycket arbete krävs fortfarande innan detta nya kylkoncept kan förvandlas till ett riktigt kvantkylskåp, men initiala experiment visar redan att de nödvändiga stegen är möjliga i princip.

Ett nytt forskningsfält:kvanttermodynamik

"Under en lång tid, termodynamik har spelat en viktig roll för klassiska mekaniska maskiner - tänk på ångmotorer eller förbränningsmotorer, till exempel. I dag, kvantmaskiner utvecklas i liten skala. Och där, termodynamik har knappast spelat någon roll där hittills", säger prof. Eisert från Free University of Berlin.

"Om du vill bygga en kvantvärmemaskin, du måste uppfylla två krav som i grunden är motstridiga, " säger prof. Marcus Huber från TU Wien. "Det måste vara ett system som består av många partiklar och där man inte kan kontrollera varje detalj exakt. Annars kan man inte tala om värme. Och på samma gång, systemet måste vara tillräckligt enkelt och tillräckligt exakt kontrollerbart för att inte förstöra kvanteffekter. Annat, man kan inte prata om en kvantmaskin."

"Tillbaka 2018, vi kom på idén att överföra de grundläggande principerna för termiska maskiner till kvantsystem genom att använda kvantfältsbeskrivningar av kvantsystem med många kroppar, " säger prof. Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Nu undersökte forskargruppen från TU Wien och FU Berlin i detalj hur sådana kvantvärmemaskiner kan utformas. De styrdes av funktionsprincipen för ett vanligt kylskåp:till en början, allt har samma temperatur—insidan av kylskåpet, miljön och kylvätskan. Men när du förångar kylvätskan inuti kylskåpet, värme utvinns där. Värmen frigörs sedan utanför när kylvätskan åter blir flytande. Så genom att höja och sänka trycket är det möjligt att kyla insidan och överföra värmen till omgivningen.

Frågan var om det också kunde finnas en kvantversion av en sådan process. "Vår idé var att använda ett Bose-Einstein-kondensat för detta, ett extremt kallt tillstånd av materia, " säger prof. Jörg Schmiedmayer. "Under de senaste åren har vi har fått mycket erfarenhet av att kontrollera och manipulera sådana kondensat mycket exakt med hjälp av elektromagnetiska fält och laserstrålar, undersöka några av de grundläggande fenomenen i gränslandet mellan kvantfysik och termodynamik. Det logiska nästa steget var kvantvärmemaskinen."

Energiomfördelning på atomnivå

Ett Bose-Einstein-kondensat är uppdelat i tre delar, som initialt har samma temperatur. "Om du kopplar dessa delsystem på exakt rätt sätt och separerar dem från varandra igen, du kan uppnå att delen i mitten fungerar som en kolv, så att säga, och låter värmeenergi överföras från ena sidan till den andra, " förklarar Marcus Huber. "Som ett resultat, ett av de tre delsystemen är nedkylt."

Även i början, Bose-Einstein-kondensatet är i ett tillstånd av mycket låg energi – men inte riktigt i lägsta möjliga energitillstånd. Vissa kvanta energi är fortfarande närvarande och kan förändras från ett delsystem till ett annat - dessa är kända som "excitationer av kvantfältet."

"Dessa excitationer tar rollen som kylvätskan i vårt fall, " säger Marcus Huber. "Men, det finns grundläggande skillnader mellan vårt system och ett klassiskt kylskåp:I ett klassiskt kylskåp, värmeflöde kan bara ske i en riktning – från varmt till kallt. I ett kvantsystem, det är mer komplicerat; energin kan också ändras från ett delsystem till ett annat och sedan återvända igen. Så du måste styra mycket exakt när vilka delsystem ska kopplas och när de ska kopplas bort."

Än så länge, detta kvantkylskåp är bara ett teoretiskt koncept – men experiment har redan visat att de nödvändiga stegen är genomförbara. "Nu när vi vet att idén i princip fungerar, vi ska försöka implementera det i labbet, " säger Joao Sabino (TU Wien). "Vi hoppas kunna lyckas inom en snar framtid." Det skulle vara ett spektakulärt steg framåt inom kryogen fysik – för oavsett vilka andra metoder du använder för att nå extremt låga temperaturer, du kan alltid lägga till det nya "quantum-kylskåpet" i slutet som ett sista extra nedkylningssteg för att göra en del av det ultrakalla systemet ännu kallare. "Om det fungerar med kalla atomer, då kan våra idéer implementeras i många andra kvantsystem och leda till nya kvantteknologiapplikationer, säger Jörg Schmiedmayer.