En illustration av enheten, som består av två supraledande kretsar:en kall högfrekvenskrets (i blått) och en varm lågfrekvenskrets (i rött). Här genererar strömmen som flyter i den röda kretsen ett oscillerande magnetfält som leder till foton-tryckkopplingen. Genom att skicka in en stark signal till den blå högfrekvenskretsen omvandlas denna till en förstärkare som kan detektera radiofrekventa fotoner som flyter i den röda kretsen med mycket högre känslighet. Kredit:Delft University of Technology
Fysiker från TU Delft, ETH Zürich och universitetet i Tübingen har byggt en värmepump i kvantskala gjord av ljuspartiklar. Den här enheten för forskare närmare kvantgränsen för att mäta radiofrekvenssignaler, vilket kan vara användbart i jakten på mörk materia. Deras arbete kommer att publiceras som en öppen artikel i Science Advances den 26 aug.
Om du för samman två föremål med olika temperatur, till exempel att lägga en varm flaska vitt vin i ett kallt kylpaket, flyter värmen vanligtvis åt ena hållet, från varmt (vinet) till kallt (kyltpaketet). Och om du väntar tillräckligt länge kommer båda att nå samma temperatur, en process som inom fysiken kallas att nå jämvikt:en balans mellan värmeflödet åt det ena och det andra.
Om du är villig att göra lite arbete kan du bryta denna balans och få värme att flöda på "fel" sätt. Detta är principen som används i ditt kylskåp för att hålla din mat kall, och i effektiva värmepumpar som kan stjäla värme från den kalla luften utanför för att värma ditt hus. I sin publikation demonstrerar Gary Steele och hans medförfattare en kvantanalog av en värmepump, vilket får de elementära kvantpartiklarna av ljus, kända som fotoner, att flytta "mot flödet" från ett varmt föremål till ett kallt.
Mörk materia-signaler
Medan forskarna redan hade använt sin enhet som ett kallbad för heta radiofrekventa fotoner i en tidigare studie, har de nu lyckats förvandla den till en förstärkare samtidigt. Med den inbyggda förstärkaren är enheten mer känslig för radiofrekventa signaler, precis som vad som händer med förstärkta mikrovågssignaler som kommer ut från supraledande kvantprocessorer.
"Det är väldigt spännande, eftersom vi kan komma närmare kvantgränsen för att mäta radiofrekvenssignalerna, frekvenser som är svåra att mäta annars. Det här nya mätverktyget kan ha många applikationer, en av dem är att leta efter mörk materia." säger Steele.
En kvantvärmepump
Enheten, känd som en fotontryckkrets, är gjord av supraledande induktorer och kondensatorer på ett kiselchip som kyls till endast några milligrader över absolut nolltemperatur. Även om detta låter väldigt kallt, för vissa fotoner i kretsen är denna temperatur väldigt varm och de exciteras med termisk energi. Med hjälp av fotontryck kan forskarna koppla dessa exciterade fotoner till kalla fotoner med högre frekvens, vilket i tidigare experiment tillät dem att kyla de heta fotonerna till deras kvantgrundtillstånd.
I detta nya verk lägger författarna till en ny twist:genom att skicka en extra signal till den kalla kretsen kan de skapa en motor som förstärker de kalla fotonerna och värmer upp dem. Samtidigt "pumpar" den extra signalen fotonerna företrädesvis i en riktning mellan de två kretsarna. Genom att trycka fotoner hårdare i en riktning än den andra kan forskarna kyla fotonerna i en del av kretsen till en temperatur som är kallare än den andra delen, vilket skapar en kvantversion av värmepumpen för fotoner i en supraledande krets . + Utforska vidare
