Quantum warmtepomp: een nieuw meetinstrument voor natuurkundigen
Natuurkundigen van de TU Delft, ETH Zürich en de Universiteit van Tübingen hebben een warmtepomp op quantumschaal gebouwd van lichtdeeltjes. Dit apparaat brengt wetenschappers dichterbij de quantumlimiet om radiofrequente signalen te meten, onder meer nuttig in de zoektocht naar donkere materie. Hun werk is afgelopen vrijdag als open-access artikel in Science Advances gepubliceerd.
Wanneer twee objecten met een verschillende temperatuur bij elkaar komen, zoals een warme fles wijn bij een koud koelpack, dan stroomt de warmte normaal gesproken in een richting, van warm (de wijn) naar koud (koelpack). En als je lang genoeg wacht, zullen beiden dezelfde temperatuur aannemen, een proces dat in de natuurkunde bekend staat als een evenwicht bereiken: een balans tussen de warmtestroom de ene en de andere kant op.
Als je bereid bent om wat werk te doen, kun je deze balans breken en ervoor zorgen dat de warmte in de “verkeerde” richting stroomt. Dit is het principe waarmee een koelkast eten koel houdt, en dat efficiënte warmtepompen gebruiken om warmte te stelen van de koude buitenlucht om het huis op te warmen. In hun publicatie laten Gary Steele en coauteurs een quantumanalogie zien van een warmtepomp, die ervoor zorgt dat de elementaire lichtdeeltjes, fotonen genaamd, “tegen de stroom in” bewegen van een warm naar een koud object.
Donkere materie-signalen
Hoewel de onderzoekers hun apparaat al hadden gebruikt als koud bad voor warme, radiofrequente fotonen in een eerdere studie, is het hen nu gelukt om er gelijktijdig een versterker van te maken. De ingebouwde versterker maakt het apparaat gevoeliger voor signalen met een radiofrequentie, net als wat er gebeurt met de versterkte microgolfsignalen die uit supergeleidende quantumprocessoren komen. “Het is heel spannend, want we kunnen dichterbij de quantumlimiet komen om radiofrequente signalen te meten, frequenties die moeilijk op een andere manier te meten zijn. Dit nieuwe meetinstrument zou allerlei toepassingen kunnen hebben, een daarvan is om donkere materie op te sporen,” zegt Steele.
Een quantum warmtepomp
Het apparaat, dat bekend staat als een photon pressure circuit, is gemaakt van supergeleidende inductoren en condensatoren op een siliciumchip die is gekoeld tot maar een paar milligraden boven het absolute nulpunt. Al klinkt dat erg koud, voor sommige fotonen in het circuit is deze temperatuur ontzettend warm en zij komen door warmte-energie in een hogere energietoestand terecht. Met behulp van druk uitgeoefend door fotonen kunnen de onderzoekers deze energieke fotonen koppelen aan koude fotonen met een hogere frequentie, waardoor zij de warme fotonen in voorgaande experimenten konden afkoelen naar hun quantum grondtoestand.
In dit nieuwe onderzoek voegen de auteurs een nieuwe twist toe: door een extra signaal het koude circuit in te sturen, kunnen zij een motor creëren die de koude fotonen versterkt en opwarmt. Tegelijkertijd “pompt” het extra signaal de fotonen bij voorkeur in een bepaalde richting tussen de twee circuits. Door de fotonen harder in de ene richting te duwen dan de andere, kunnen de onderzoekers de fotonen aan een kant van het circuit afkoelen naar een temperatuur die lager is dan de andere kant. Daarmee hebben ze een quantumversie van een warmtepomp gecreëerd voor fotonen in een supergeleidend circuit.
