A prima vista, caldo e freddo non hanno molto a che fare con la fisica quantistica. Un singolo atomo non è né caldo né freddo. La temperatura può essere tradizionalmente definita solo per oggetti costituiti da molte particelle. Ma a TU Wien, in collaborazione con FU Berlino, Nanyang Technological University di Singapore e l'Università di Lisbona, è stato ora possibile mostrare quali possibilità sorgono quando la termodinamica e la fisica quantistica vengono combinate:si possono usare specificamente gli effetti quantistici per raffreddare ulteriormente una nuvola di atomi ultrafreddi.

Non importa quali sofisticati metodi di raffreddamento siano stati usati prima, con questa tecnica, che ora è stato presentato sulla rivista scientifica Recensione fisica X-Quantum , è possibile avvicinarsi un po' allo zero assoluto. È necessario ancora molto lavoro prima che questo nuovo concetto di raffreddamento possa essere trasformato in un vero frigorifero quantistico, ma i primi esperimenti mostrano già che i passi necessari sono possibili in linea di principio.

Un nuovo campo di ricerca:la termodinamica quantistica

"Per molto tempo, la termodinamica ha svolto un ruolo importante per le macchine meccaniche classiche:si pensi ai motori a vapore o ai motori a combustione, Per esempio. Oggi, le macchine quantistiche vengono sviluppate su piccola scala. E lì, la termodinamica finora non ha svolto un ruolo importante", afferma il prof. Eisert della Libera Università di Berlino.

"Se vuoi costruire una macchina termica quantistica, devi soddisfare due requisiti che sono fondamentalmente contraddittori, " afferma il prof. Marcus Huber della TU Wien. "Deve essere un sistema composto da molte particelle e in cui non è possibile controllare esattamente ogni dettaglio. Altrimenti non si può parlare di calore. E allo stesso tempo, il sistema deve essere abbastanza semplice e controllabile con sufficiente precisione da non distruggere gli effetti quantistici. Altrimenti, non si può parlare di una macchina quantistica."

"Nel 2018 ci è venuta l'idea di trasferire i principi di base delle macchine termiche ai sistemi quantistici usando le descrizioni dei campi quantistici dei sistemi quantistici a molti corpi, " afferma il prof. Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Ora il team di ricerca di TU Wien e FU Berlin ha esaminato in dettaglio come possono essere progettate tali macchine a calore quantistico. Sono stati guidati dal principio di funzionamento di un normale frigorifero:inizialmente, tutto ha la stessa temperatura:l'interno del frigorifero, l'ambiente e il liquido di raffreddamento. Ma quando fai evaporare il liquido di raffreddamento all'interno del frigorifero, il calore viene estratto lì. Il calore viene quindi rilasciato all'esterno quando il liquido di raffreddamento viene nuovamente liquefatto. Quindi alzando e abbassando la pressione è possibile raffreddare l'interno e trasferire il calore all'ambiente.

La domanda era se potesse esistere anche una versione quantistica di tale processo. "La nostra idea era di usare un condensato di Bose-Einstein per questo, uno stato estremamente freddo della materia, " afferma il Prof. Jörg Schmiedmayer. "Negli ultimi anni, abbiamo acquisito molta esperienza nel controllo e nella manipolazione di tali condensati in modo molto preciso con l'ausilio di campi elettromagnetici e raggi laser, indagando alcuni dei fenomeni fondamentali al confine tra fisica quantistica e termodinamica. Il logico passo successivo è stata la macchina del calore quantistico".

Ridistribuzione dell'energia a livello atomico

Un condensato di Bose-Einstein è diviso in tre parti, che inizialmente hanno la stessa temperatura. "Se accoppi questi sottosistemi esattamente nel modo giusto e li separi di nuovo l'uno dall'altro, puoi ottenere che la parte nel mezzo funga da pistone, per così dire, e permette di trasferire energia termica da un lato all'altro, " spiega Marcus Huber. "Di conseguenza, uno dei tre sottosistemi si è raffreddato."

Anche all'inizio, il condensato di Bose-Einstein è in uno stato di energia molto bassa, ma non del tutto nello stato energetico più basso possibile. Alcuni quanti di energia sono ancora presenti e possono cambiare da un sottosistema all'altro:questi sono noti come "eccitazioni del campo quantistico".

"Queste eccitazioni assumono il ruolo del liquido di raffreddamento nel nostro caso, " dice Marcus Huber. "Tuttavia, ci sono differenze fondamentali tra il nostro sistema e un frigorifero classico:in un frigorifero classico, il flusso di calore può avvenire solo in una direzione, dal caldo al freddo. In un sistema quantistico, è più complicato; l'energia può anche cambiare da un sottosistema all'altro e poi tornare di nuovo. Quindi devi controllare in modo molto preciso quando quali sottosistemi devono essere collegati e quando devono essere disaccoppiati".

Finora, questo frigorifero quantistico è solo un concetto teorico, ma gli esperimenti hanno già dimostrato che i passaggi necessari sono fattibili. "Ora che sappiamo che l'idea fondamentalmente funziona, cercheremo di implementarlo in laboratorio, " dice Joao Sabino (TU Wien). "Speriamo di avere successo nel prossimo futuro." Sarebbe un passo avanti spettacolare nella fisica criogenica, perché non importa quali altri metodi usi per raggiungere temperature estremamente basse, potresti sempre aggiungere il nuovo "frigorifero quantistico" alla fine come fase di raffreddamento aggiuntiva finale per rendere ancora più fredda una parte del sistema ultrafreddo. "Se funziona con atomi freddi, quindi le nostre idee possono essere implementate in molti altri sistemi quantistici e portare a nuove applicazioni della tecnologia quantistica, " dice Jörg Schmiedmayer.