I ricercatori di Singapore hanno costruito un frigorifero grande solo tre atomi. Questo frigorifero quantico non manterrà le tue bevande fredde, ma è una bella prova della fisica che opera alle scale più piccole. Il lavoro è descritto in un articolo pubblicato il 14 gennaio in Comunicazioni sulla natura .

I ricercatori hanno già costruito minuscoli motori termici, ma i precedenti frigoriferi quantistici erano solo teorici, fino a quando il team del Center for Quantum Technologies presso l'Università Nazionale di Singapore si è raffreddato con i loro atomi. Il dispositivo è un "frigorifero ad assorbimento". Funziona senza parti in movimento, utilizzando il calore per guidare un processo di raffreddamento.

I primi frigoriferi ad assorbimento, introdotto nel 1850, ciclicamente l'evaporazione e l'assorbimento di un liquido, con raffreddamento che avviene durante la fase di evaporazione. Erano ampiamente usati per fare il ghiaccio e raffreddare il cibo nel 20esimo secolo. Albert Einstein deteneva persino un brevetto su un design migliorato. I frigoriferi e i condizionatori di oggi utilizzano più spesso un compressore, ma i frigoriferi ad assorbimento hanno ancora i loro usi, inclusi gli esperimenti scientifici.

"Il nostro dispositivo è la prima implementazione del ciclo di refrigerazione ad assorbimento su scala nanometrica, " afferma il coautore Stefan Nimmrichter. Per creare un frigorifero ad assorbimento con solo tre atomi è stato necessario un controllo squisito. "Come scienziato sperimentale, è una pura gioia poter manipolare singoli atomi, "dice Gleb Maslennikov, il primo autore dell'articolo.

Primo, i ricercatori hanno catturato e tenuto tre atomi dell'elemento itterbio in una camera di metallo da cui avevano rimosso tutta l'aria. Hanno anche estratto un elettrone da ogni atomo per lasciarli con una carica positiva. Gli atomi carichi, chiamati ioni, possono quindi essere mantenuti in posizione con campi elettrici. Nel frattempo, i ricercatori spingono e colpiscono gli ioni con i laser per portarli nel loro stato di movimento a più bassa energia. Il risultato è che gli ioni sono sospesi quasi perfettamente immobili, messi in fila.

Un altro zap laser poi inietta un po' di calore, facendo oscillare gli ioni. Gli ioni interagiscono tra loro a causa delle loro cariche simili. Il risultato sono tre modelli di oscillazione:schiacciamento e allungamento lungo la linea come uno Slinky, oscillando come un'altalena che ruota attorno all'atomo centrale, e zigzagando fuori dalla linea come una corda per saltare che ondeggia.

L'energia in ogni modalità di oscillazione è quantizzata, con l'energia trasportata da un certo numero di cosiddetti fononi. Sintonizzando le frequenze oscillanti, i ricercatori hanno impostato le condizioni per la refrigerazione in modo tale che un fonone che si sposta dall'altalena alla modalità Slinky trascini con sé un fonone dalla modalità a zig-zag. La modalità a zig-zag perde così energia, e la sua temperatura scende. al suo più freddo, è entro 40 microKelvin dallo zero assoluto (-273C), la temperatura più fredda possibile. Ogni ciclo di preparazione degli ioni e conteggio dei fononi ha richiesto fino a 70 millisecondi, con il raffreddamento che si verifica per circa un millisecondo. Questo processo è stato ripetuto migliaia di volte.

Studiare dispositivi così piccoli è importante per vedere come la termodinamica, la nostra migliore comprensione dei flussi di calore, potrebbe aver bisogno di modifiche per riflettere leggi più fondamentali. I principi della termodinamica si basano sui comportamenti medi dei grandi sistemi. Non tengono conto degli effetti quantistici, che è importante per gli scienziati che costruiscono nanomacchine e dispositivi quantistici.

Per testare la termodinamica quantistica, i ricercatori hanno effettuato misurazioni accurate di come i fononi si diffondono attraverso i modi nel tempo. In particolare, i ricercatori hanno testato se un effetto quantistico noto come "spremitura" potrebbe aumentare le prestazioni del frigorifero quantistico. Spremere significa fissare più precisamente la posizione degli ioni. A causa del principio di indeterminazione quantistica, che aumenta la fluttuazione della quantità di moto. A sua volta, questo aumenta il numero medio di fononi nella modalità altalena che guida il raffreddamento.

Con sorpresa della squadra, la spremitura non ha aiutato il frigorifero. "Se hai una quantità limitata di energia da spendere, è meglio trasformarlo direttamente in calore che usarlo preparando uno stato spremuto, "dice Dzmitry Matsukevich, che ha condotto il lavoro sperimentale.

Però, hanno trovato la massima quantità di raffreddamento, che è stato ottenuto con un metodo soprannominato "colpo singolo, " supera quanto previsto dalla termodinamica di equilibrio classica. In questo approccio, il team interrompe l'effetto di refrigerazione disattivando le modalità di oscillazione prima che il sistema raggiunga il suo punto finale naturale. Il raffreddamento supera l'equilibrio.

Fisico Valerio Scarani, un altro membro della squadra, non vede l'ora di andare oltre. "La prossima domanda è, puoi raffreddare quello che vuoi con esso? Finora, abbiamo il motore del frigo, ma non la scatola per la birra, " lui dice.