На первый взгляд, тепло и холод не имеют ничего общего с квантовой физикой. Отдельный атом ни горячий, ни холодный. Традиционно температуру можно определять только для объектов, состоящих из множества частиц. Но благодаря совместному исследованию Венского, Берлинского, Технологического университета Наньян в Сингапуре и Лиссабонского университета теперь доказано, какие возможности возникают при объединении термодинамики и квантовой физики: можно специально использовать квантовые эффекты для охлаждения облака ультрахолодных атомов.

Независимо от того, какие изощренные методы охлаждения использовались раньше — с помощью этого метода, который теперь представлен в научном журнале Physical Review X-Quantum, можно немного приблизиться к абсолютному нулю. Еще предстоит проделать большую работу, прежде чем эту новую концепцию охлаждения можно будет превратить в настоящий квантовый холодильник, но первоначальные эксперименты уже показывают, что необходимые шаги в принципе возможны.

Новое направление исследований: квантовая термодинамика

«В течение долгого времени термодинамика играла важную роль для классических механических машин — подумайте, например, о паровых двигателях или двигателях внутреннего сгорания. Сегодня квантовые машины разрабатываются в крошечных масштабах. И здесь термодинамика вряд ли пока сыграла роль», — говорит профессор Айсерт из Свободного университета Берлина.

«Если вы хотите построить квантовую тепловую машину, вы должны выполнить два принципиально противоречивых требования», — говорит профессор Маркус Хубер из Венского университета. «Это должна быть система, состоящая из множества частиц, в которой вы не можете точно контролировать каждую деталь. В противном случае вы не можете говорить о тепле. И в то же время система должна быть достаточно простой и достаточно точно управляемой, чтобы не разрушать квантовые эффекты. Иначе нельзя говорить о квантовой машине».

«Еще в 2018 году у нас возникла идея перенести основные принципы тепловых машин на квантовые системы с использованием квантовых полевых описаний квантовых систем многих тел», — говорит профессор Йорг Шмидмайер (TU Wien).

Теперь исследовательская группа подробно изучила, как можно создать такие квантовые тепловые машины. Они руководствовались принципом работы обычного холодильника: изначально все имеет одинаковую температуру — внутреннее пространство холодильника, окружающая среда и охлаждающая жидкость. Но когда вы испаряете охлаждающую жидкость внутри холодильника, там отводится тепло. Затем тепло выделяется наружу, когда хладагент снова становится жидким. Таким образом, повышая и понижая давление, можно охладить внутреннюю часть и передать тепло окружающей среде.

Вопрос был в том, может ли существовать квантовая версия такого процесса. «Наша идея состояла в том, чтобы использовать конденсат Бозе-Эйнштейна для этого чрезвычайно холодного состояния вещества», — говорит профессор Йорг Шмидмайер. «В последние годы мы приобрели большой опыт в очень точном управлении такими конденсатами и манипулировании ими с помощью электромагнитных полей и лазерных лучей, исследуя некоторые фундаментальные явления на границе между квантовой физикой и термодинамикой. Следующим логическим шагом было создание квантовой тепловой машины».

Перераспределение энергии на атомном уровне

Конденсат Бозе-Эйнштейна делится на три части, которые изначально имеют одинаковую температуру.

«Если вы соедините эти подсистемы совершенно правильным образом и снова отделите их друг от друга, вы можете добиться того, чтобы часть в середине действовала как поршень, так сказать, и позволяла передавать тепловую энергию с одной стороны на другую», — объясняет Маркус Хубер. «В результате одна из трех подсистем охлаждается».

Даже вначале конденсат Бозе-Эйнштейна находится в состоянии очень низкой энергии — но не совсем в состоянии минимально возможной энергии. Некоторые кванты энергии все еще присутствуют и могут изменяться от одной подсистемы к другой — это известно, как «возбуждение квантового поля».

«В нашем случае эти возбуждения играют роль охлаждающей жидкости», — говорит Маркус Хубер. «Однако между нашей системой и классическим холодильником есть принципиальные отличия: в классическом холодильнике тепловой поток может происходить только в одном направлении — от теплого к холодному. В квантовой системе все сложнее; энергия также может изменяться. от одной подсистемы к другой, а затем вернуться снова. Таким образом, вы должны очень точно контролировать, когда какие подсистемы должны быть подключены, а когда они должны быть разъединены».

Пока что этот квантовый холодильник является только теоретической концепцией, но эксперименты уже показали, что необходимые шаги возможны. «Теперь, когда мы знаем, что идея в основном работает, мы попытаемся реализовать ее в лаборатории», — говорит Жоао Сабино (TU Wien). «Мы надеемся добиться успеха в ближайшем будущем». Это было бы впечатляющим шагом вперед в криогенной физике, потому что независимо от того, какие другие методы вы используете для достижения чрезвычайно низких температур, вы всегда можете добавить новый квантовый холодильник в конце в качестве заключительного дополнительного этапа охлаждения, чтобы сделать одну часть ультрахолодная система еще холоднее. «Если это работает с холодными атомами, то наши идеи могут быть реализованы во многих других квантовых системах и приведут к новым приложениям квантовой технологии», — говорит Йорг Шмидмайер.