Ein neues Messwerkzeug für Physiker

Physiker der TU Delft, der ETH Zürich und der Universität Tübingen haben eine Wärmepumpe im Quantenmaßstab aus Lichtteilchen gebaut. Dieses Gerät bringt Wissenschaftler der Quantengrenze der Messung von Hochfrequenzsignalen näher, die bei der Suche nach dunkler Materie nützlich sein könnten. Ihre Arbeit wird als Open-Access-Artikel in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte am 26. August.

Wenn Sie zwei Gegenstände mit unterschiedlicher Temperatur zusammenbringen, wie z. B. eine warme Flasche Weißwein in einen kalten Kühlakku stellen, fließt die Wärme normalerweise in eine Richtung, von heiß (dem Wein) nach kalt (dem Kühlakku). Und wenn Sie lange genug warten, werden beide die gleiche Temperatur erreichen, ein Prozess, der in der Physik als Erreichen des Gleichgewichts bekannt ist: ein Gleichgewicht zwischen dem Wärmefluss in die eine und andere Richtung.

Wenn Sie bereit sind, etwas Arbeit zu leisten, können Sie dieses Gleichgewicht stören und dazu führen, dass Wärme in die „falsche“ Richtung fließt. Dies ist das Prinzip, das in Ihrem Kühlschrank verwendet wird, um Ihre Lebensmittel kalt zu halten, und in effizienten Wärmepumpen, die der kalten Außenluft Wärme entziehen können, um Ihr Haus zu wärmen. In ihrer Veröffentlichung demonstrieren Gary Steele und seine Co-Autoren ein Quantenanalog einer Wärmepumpe, die die elementaren Quantenteilchen des Lichts, sogenannte Photonen, dazu bringt, sich „gegen den Strom“ von einem heißen Objekt zu einem kalten zu bewegen.

Signale der Dunklen Materie

Während die Forscher ihr Gerät bereits in einer früheren Studie als Kältebad für heiße hochfrequente Photonen nutzten, ist es ihnen nun gelungen, es gleichzeitig in einen Verstärker zu verwandeln. Mit dem eingebauten Verstärker reagiert das Gerät empfindlicher auf Hochfrequenzsignale, genau wie bei verstärkten Mikrowellensignalen, die aus supraleitenden Quantenprozessoren kommen.

„Es ist sehr aufregend, weil wir der Quantengrenze der Messung von Radiofrequenzsignalen näher kommen können, Frequenzen, die sonst schwer zu messen sind. Dieses neue Messwerkzeug könnte viele Anwendungen haben, eine davon ist die Suche nach dunkler Materie.“ sagt Steele.

Eine Quantenwärmepumpe

Das als Photonendruckschaltung bekannte Gerät besteht aus supraleitenden Induktoren und Kondensatoren auf einem Siliziumchip, der auf nur wenige Milligrad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wird. Während dies sehr kalt klingt, ist diese Temperatur für einige der Photonen im Kreislauf sehr heiß und sie werden mit thermischer Energie angeregt. Mithilfe von Photonendruck können die Forscher diese angeregten Photonen mit höherfrequenten kalten Photonen koppeln, was ihnen in früheren Experimenten ermöglichte, die heißen Photonen in ihren Quantengrundzustand abzukühlen.

In dieser neuen Arbeit fügen die Autoren eine neue Wendung hinzu: Indem sie ein zusätzliches Signal in den kalten Kreislauf senden, können sie einen Motor erzeugen, der die kalten Photonen verstärkt und aufheizt. Gleichzeitig „pumpt“ das zusätzliche Signal die Photonen bevorzugt in eine Richtung zwischen den beiden Kreisläufen. Indem Photonen stärker in eine Richtung als in die andere gedrückt werden, können die Forscher die Photonen in einem Teil des Kreislaufs auf eine Temperatur abkühlen, die kälter ist als der andere Teil, wodurch eine Quantenversion der Wärmepumpe für Photonen in einem supraleitenden Kreislauf entsteht .