Des physiciens de la TU Delft, de l’ETH Zürich et de l’Université de Tübingen ont construit une pompe à chaleur à l’échelle quantique fabriquée à partir de particules de lumière. Cet appareil rapproche les scientifiques de la limite quantique de la mesure des signaux de radiofréquence, ce qui peut être utile dans la chasse à la matière noire. Leurs travaux seront publiés sous la forme d’un article en libre accès dans Avancées scientifiques le 26 août.
Si vous réunissez deux objets de température différente, comme mettre une bouteille de vin blanc chaud dans un pack de refroidissement froid, la chaleur circule généralement dans une direction, du chaud (le vin) au froid (le pack de refroidissement). Et si vous attendez assez longtemps, les deux atteindront la même température, un processus connu en physique comme atteignant l’équilibre : un équilibre entre le flux de chaleur dans un sens et dans l’autre.
Si vous êtes prêt à travailler, vous pouvez rompre cet équilibre et faire circuler la chaleur dans le « mauvais » sens. C’est le principe utilisé dans votre réfrigérateur pour garder vos aliments au frais, et dans les pompes à chaleur efficaces qui peuvent voler la chaleur de l’air froid extérieur pour réchauffer votre maison. Dans leur publication, Gary Steele et ses co-auteurs démontrent un analogue quantique d’une pompe à chaleur, provoquant le déplacement des particules quantiques élémentaires de lumière, appelées photons, « à contre-courant » d’un objet chaud vers un objet froid.
Signaux de matière noire
Alors que les chercheurs avaient déjà utilisé leur appareil comme bain froid pour les photons radiofréquences chauds dans une précédente étude, ils sont maintenant parvenus à le transformer simultanément en amplificateur. Avec l’amplificateur intégré, l’appareil est plus sensible aux signaux radiofréquence, tout comme ce qui se passe avec les signaux micro-ondes amplifiés provenant des processeurs quantiques supraconducteurs.
« C’est très excitant, car nous pouvons nous rapprocher de la limite quantique de la mesure des signaux de radiofréquence, des fréquences difficiles à mesurer autrement. Ce nouvel outil de mesure pourrait avoir de nombreuses applications, l’une d’entre elles étant de rechercher de la matière noire. » dit Steele.
Une pompe à chaleur quantique
Le dispositif, connu sous le nom de circuit de pression de photons, est constitué d’inductances et de condensateurs supraconducteurs sur une puce de silicium refroidie à seulement quelques millidegrés au-dessus de la température du zéro absolu. Bien que cela semble très froid, pour certains des photons du circuit, cette température est très chaude et ils sont excités par l’énergie thermique. En utilisant la pression des photons, les chercheurs peuvent coupler ces photons excités à des photons froids de fréquence plus élevée, ce qui, lors d’expériences précédentes, leur a permis de refroidir les photons chauds dans leur état fondamental quantique.
Dans ce nouveau travail, les auteurs ajoutent une nouvelle tournure : en envoyant un signal supplémentaire dans le circuit froid, ils sont capables de créer un moteur qui amplifie les photons froids et les réchauffe. Dans le même temps, le signal supplémentaire « pompe » les photons préférentiellement dans un sens entre les deux circuits. En poussant les photons plus fort dans une direction que dans l’autre, les chercheurs sont capables de refroidir les photons dans une partie du circuit à une température plus froide que l’autre partie, créant une version quantique de la pompe à chaleur pour les photons dans un circuit supraconducteur .
Ines Corveira Rodrigues, Interactions paramétriques améliorées et dynamique de bain non réciproque dans un amplificateur Kerr à pression de photons, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abq1690. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1690