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世界上第一台只有三个原子大小的量子冰箱诞生

作者:镒凯来源:互联网 日期:2019年2月20日 17:15

  据报道,新加坡的研究人员建造了一个只有三个原子大的冰箱。这种量子冰箱不会让你的饮料冷却,但它是它是物理学在最小尺度上运行的绝佳证据。该研究成果发表在 Nature Communications 期刊,论文题目为"Quantum absorption refrigerator with trapped ions"。

  研究人员以前也制造过微型“热力发动机”,在新加坡国立大学量子技术中心的研究小组实现用原子建造冰箱以前,量子冰箱只是作为一种设想而存在。

  该装置是一种“吸收式冰箱”,它可以在没有移动部件的情况下工作,利用热量来驱动冷却过程。

  第一台吸收式冰箱于 19 世纪 50 年代问世,它将液体的蒸发和吸收进行循环,在蒸发阶段进行冷却。在 20 世纪,它们广泛应用于制冰和冷藏食物。Albert Einstein 甚至拥有一项改进冰箱设计的专利。

  现如今,虽然冰箱和空调更多地使用压缩机,但吸收式冰箱仍有其用途,比如应用于科学实验。

  “我们的设备是第一个在纳米尺度上实现吸收式循环制冷的,”共同作者 Stefan Nimmrichter 说。

  创造一个只有三个原子的吸收式冰箱需要精细的控制。“作为一名实验科学家,能够操纵单个原子是一件纯粹的乐事,”论文第一作者 Gleb Maslennikov 说。

  首先,研究人员在一个金属腔中捕获并保存了三个镱原子,并从金属腔中除去了所有的空气。它们还从每个原子上拿走一个电子,让每个原子带一个单位的正电荷。

  带正电的离子可以在电场的作用下保持原位。与此同时,研究人员用激光轻推并轰击这些离子,使它们进入运动的最低能量状态。结果是离子几乎完全悬浮,并排成一条直线。

  用另一个激光轰击注入热量,使离子摆动。由于离子间具有相同的电荷,彼此间具有相互作用力。结果产生了三种摆动模式:像一条弹簧一样伸缩挤压,或者像跷跷板一样围绕中心原子旋转,或者像挥舞着的跳绳一样曲折蜿蜒(Z 字形)。

  每个摆动模式的能量都是量子化的,能量由许多“声子”携带。通过调节摆动频率,研究人员设定了制冷条件:使一个声子从跷跷板模式移动到弹簧模式,Z 字形模式也随之失去一个声子。Z 字形模式因此失去能量,并且其温度下降。最冷可达到绝对零度 (-273) 的 40 微开尔文范围内。每一轮准备离子和计数声子的实验过程耗时 70 毫秒,冷却过程持续约 1 毫秒。这种过程重复了数千次。

  研究这样的小装置很重要,可以让我们了解到如何调整我们非常熟悉的热力学以反映更基本的定律。热力学原理基于宏观系统的平均行为。他们没有把量子效应考虑进去,而量子效应对于建造纳米机器和量子器件来说至关重要。

  为了测试量子热力学,研究人员仔细测量了声子随着时间的推移是如何在三种模式中传播的。研究人员着重测试了称为“挤压”的量子效应是否会提升量子冰箱的性能。

  挤压意味着研究小组更精确地确定了离子的位置。由于量子不确定性原理,这增加了动量的波动。反过来,这又增加了在跷跷板模式下驱动冷却过程发生的平均声子数。

  令该团队惊讶的是,挤压并没有提升冰箱的性能。“如果你的能量是有限的,与其用它来制备挤压状态,不如直接把它转化成热。”该实验的领导者 Dzmitry Matsukevich 说。

  然而,他们用“单次射击”的方法,得到了最大冷却量超过经典平衡热力学预测范围的实验结果。在这种方法中,该团队在摆动模式到达其自然终点之前,通过调整摆动模式来停止制冷效果,冷却程度反而超过了平衡。

  该团队的另一名成员、物理学家 Valerio Scarani 期待该研究更进一步的发展。“接下来的问题是,你能用它冷却你想要的东西吗?到目前为止,我们有冰箱的引擎,但没有可以为啤酒制冷的容器。

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