Nueva herramienta de medición para físicos

Físicos de TU Delft, ETH Zürich y la Universidad de Tübingen han construido una bomba de calor cuántica hecha de partículas ligeras. Este dispositivo acerca a los científicos al límite cuántico de la medición de señales de radiofrecuencia, útil por ejemplo en la búsqueda de materia oscura. Su trabajo se publicará como artículo de acceso abierto en Science Advances el 26 de agosto.

Si trae dos objetos de diferentes temperaturas, como poner una botella de vino blanco tibio en una bolsa hielera fría, el calor generalmente fluye en una dirección, de caliente (vino) a frío (bolsa fría). Y si esperas lo suficiente, ambos alcanzan la misma temperatura, un proceso conocido en física para alcanzar el equilibrio: el equilibrio entre el flujo de calor en una dirección y otra.

Si está dispuesto a hacer algún trabajo, puede romper ese equilibrio y hacer que el calor fluya de la manera «incorrecta». Este es el principio utilizado en su refrigerador para mantener la comida fría y en bombas de calor eficientes que pueden robar calor del aire frío del exterior para calentar su hogar. En su publicación, Gary Steele y sus colegas demuestran un análogo cuántico de una bomba de calor, que hace que las partículas cuánticas elementales de luz, conocidas como fotones, se muevan en «flujo inverso» de un objeto caliente a un objeto frío.

señales de materia oscura

Si bien los investigadores ya habían utilizado su dispositivo como un baño frío para fotones de radiofrecuencia calientes en un estudio anterior, ahora podían convertirlos simultáneamente en un amplificador. Con un amplificador incorporado, el dispositivo es más sensible a las señales de radiofrecuencia, al igual que sucede con las señales de microondas amplificadas que salen de los procesadores cuánticos superconductores. «Es muy emocionante, porque podemos acercarnos al límite cuántico de medir señales de radiofrecuencia, que son frecuencias que son difíciles de medir de otra manera. Esta nueva herramienta de medición puede tener muchas aplicaciones, una de las cuales es la búsqueda de materia oscura». Steele dice.

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bomba de calor cuántica

El dispositivo, conocido como circuito de compresión de fotones, está hecho de inductores y capacitores superconductores en un chip de silicio enfriado a unos pocos miligrados por encima de la temperatura del cero absoluto. Si bien esto suena muy frío, para algunos de los fotones en el circuito, esta temperatura es extremadamente alta y están excitados por la energía térmica. Usando la compresión de fotones, los investigadores pudieron vincular estos fotones excitados con fotones fríos de una frecuencia más alta, lo que en experimentos anteriores les permitió enfriar los fotones calientes a su estado fundamental cuántico.

En este nuevo trabajo, los autores agregaron un nuevo giro: al enviar una señal adicional al circuito frío, podrían crear un motor que amplifique y caliente los fotones fríos. Al mismo tiempo, la señal adicional «bombea» fotones preferentemente en una dirección entre los dos circuitos. Al empujar los fotones más agresivamente en una dirección que en la otra, los investigadores pueden enfriar los fotones en una parte del circuito a una temperatura más fría que la otra, creando una versión cuántica de la bomba de calor de fotones en un circuito superconductor. .

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