Un'illustrazione del dispositivo, che consiste in due circuiti superconduttori:un circuito freddo ad alta frequenza (in blu) e un circuito caldo a bassa frequenza (in rosso). Qui, la corrente che scorre nel circuito rosso genera un campo magnetico oscillante che porta all'accoppiamento fotone-pressione. Inviando un segnale forte al circuito blu ad alta frequenza, questo si trasforma in un amplificatore in grado di rilevare fotoni a radiofrequenza che fluiscono nel circuito rosso con una sensibilità molto più elevata. Credito:Università di tecnologia di Delft
I fisici della TU Delft, dell'ETH Zürich e dell'Università di Tubinga hanno costruito una pompa di calore su scala quantistica a base di particelle di luce. Questo dispositivo avvicina gli scienziati al limite quantico della misurazione dei segnali a radiofrequenza, che possono essere utili nella caccia alla materia oscura. Il loro lavoro sarà pubblicato come articolo ad accesso aperto in Science Advances il 26 agosto.
Se metti insieme due oggetti di temperatura diversa, come mettere una bottiglia di vino bianco calda in un impacco freddo, il calore di solito scorre in una direzione, da caldo (il vino) a freddo (l'impacco freddo). E se aspetti abbastanza a lungo, i due raggiungeranno entrambi la stessa temperatura, un processo noto in fisica come il raggiungimento dell'equilibrio:un equilibrio tra il flusso di calore in una direzione e nell'altra.
Se sei disposto a fare un po' di lavoro, puoi rompere questo equilibrio e far fluire il calore nel modo "sbagliato". Questo è il principio utilizzato nel tuo frigorifero per mantenere il cibo freddo e nelle efficienti pompe di calore che possono rubare calore dall'aria fredda esterna per riscaldare la tua casa. Nella loro pubblicazione, Gary Steele e i suoi coautori dimostrano un analogo quantistico di una pompa di calore, che fa sì che le particelle quantistiche elementari della luce, note come fotoni, si muovano "contro il flusso" da un oggetto caldo a uno freddo.
Segnali di materia oscura
Mentre i ricercatori avevano già utilizzato il loro dispositivo come bagno freddo per fotoni a radiofrequenza caldi in uno studio precedente, ora sono riusciti a trasformarlo simultaneamente in un amplificatore. Con l'amplificatore integrato, il dispositivo è più sensibile ai segnali a radiofrequenza, proprio come accade con i segnali a microonde amplificati che escono dai processori quantistici superconduttori.
"È molto eccitante, perché possiamo avvicinarci al limite quantico della misurazione dei segnali a radiofrequenza, frequenze che sono difficili da misurare altrimenti. Questo nuovo strumento di misurazione potrebbe avere molte applicazioni, una delle quali è la ricerca della materia oscura". dice Steele.
Una pompa di calore quantistica
Il dispositivo, noto come circuito di pressione dei fotoni, è costituito da induttori e condensatori superconduttori su un chip di silicio raffreddato a pochi milligradi sopra la temperatura dello zero assoluto. Anche se questo suona molto freddo, per alcuni dei fotoni nel circuito, questa temperatura è molto calda e sono eccitati con energia termica. Usando la pressione dei fotoni, i ricercatori possono accoppiare questi fotoni eccitati a fotoni freddi a frequenza più alta, che in esperimenti precedenti hanno permesso loro di raffreddare i fotoni caldi nel loro stato fondamentale quantistico.
In questo nuovo lavoro, gli autori aggiungono una nuova svolta:inviando un segnale extra nel circuito freddo, sono in grado di creare un motore che amplifica i fotoni freddi e li riscalda. Allo stesso tempo, il segnale extra "pompa" i fotoni preferenzialmente in una direzione tra i due circuiti. Spingendo i fotoni più forte in una direzione rispetto all'altra, i ricercatori sono in grado di raffreddare i fotoni in una parte del circuito a una temperatura più fredda dell'altra parte, creando una versione quantistica della pompa di calore per i fotoni in un circuito superconduttore . + Esplora ulteriormente
