新加坡建造了一個(gè)只有三個(gè)原子大的冰箱

據(jù) Nanowerk News 2 月 1 日?qǐng)?bào)道，新加坡的研究人員建造了一個(gè)只有三個(gè)原子大的冰箱。這種量子冰箱不會(huì)讓你的飲料冷卻，但它是它是物理學(xué)在最小尺度上運(yùn)行的絕佳證據(jù)。該研究成果發(fā)表在 Nature Communications 期刊，論文題目為"Quantum absorption refrigerator with trapped ions"。

研究人員以前也制造過微型“熱力發(fā)動(dòng)機(jī)”，在新加坡國立大學(xué)量子技術(shù)中心的研究小組實(shí)現(xiàn)用原子建造冰箱以前，量子冰箱只是作為一種設(shè)想而存在。

（來源：Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore）

該裝置是一種“吸收式冰箱”，它可以在沒有移動(dòng)部件的情況下工作，利用熱量來驅(qū)動(dòng)冷卻過程。

第一臺(tái)吸收式冰箱于 19 世紀(jì) 50 年代問世，它將液體的蒸發(fā)和吸收進(jìn)行循環(huán)，在蒸發(fā)階段進(jìn)行冷卻。在 20 世紀(jì)，它們廣泛應(yīng)用于制冰和冷藏食物。Albert Einstein 甚至擁有一項(xiàng)改進(jìn)冰箱設(shè)計(jì)的專利。

現(xiàn)如今，雖然冰箱和空調(diào)更多地使用壓縮機(jī)，但吸收式冰箱仍有其用途，比如應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“我們的設(shè)備是第一個(gè)在納米尺度上實(shí)現(xiàn)吸收式循環(huán)制冷的，”共同作者 Stefan Nimmrichter 說。

創(chuàng)造一個(gè)只有三個(gè)原子的吸收式冰箱需要精細(xì)的控制?！白鳛橐幻麑?shí)驗(yàn)科學(xué)家，能夠操縱單個(gè)原子是一件純粹的樂事，”論文第一作者 Gleb Maslennikov 說。

首先，研究人員在一個(gè)金屬腔中捕獲并保存了三個(gè)鐿原子，并從金屬腔中除去了所有的空氣。它們還從每個(gè)原子上拿走一個(gè)電子，讓每個(gè)原子帶一個(gè)單位的正電荷。

帶正電的離子可以在電場的作用下保持原位。與此同時(shí)，研究人員用激光輕推并轟擊這些離子，使它們進(jìn)入運(yùn)動(dòng)的最低能量狀態(tài)。結(jié)果是離子幾乎完全懸浮，并排成一條直線。

用另一個(gè)激光轟擊注入熱量，使離子擺動(dòng)。由于離子間具有相同的電荷，彼此間具有相互作用力。結(jié)果產(chǎn)生了三種擺動(dòng)模式：像一條彈簧一樣伸縮擠壓，或者像蹺蹺板一樣圍繞中心原子旋轉(zhuǎn)，或者像揮舞著的跳繩一樣曲折蜿蜒（Z 字形）。

每個(gè)擺動(dòng)模式的能量都是量子化的，能量由許多“聲子”攜帶。通過調(diào)節(jié)擺動(dòng)頻率，研究人員設(shè)定了制冷條件:使一個(gè)聲子從蹺蹺板模式移動(dòng)到彈簧模式，Z 字形模式也隨之失去一個(gè)聲子。Z 字形模式因此失去能量，并且其溫度下降。最冷可達(dá)到絕對(duì)零度 (-273℃) 的 40 微開爾文范圍內(nèi)。每一輪準(zhǔn)備離子和計(jì)數(shù)聲子的實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí) 70 毫秒，冷卻過程持續(xù)約 1 毫秒。這種過程重復(fù)了數(shù)千次。

研究這樣的小裝置很重要，可以讓我們了解到如何調(diào)整我們非常熟悉的熱力學(xué)以反映更基本的定律。熱力學(xué)原理基于宏觀系統(tǒng)的平均行為。他們沒有把量子效應(yīng)考慮進(jìn)去，而量子效應(yīng)對(duì)于建造納米機(jī)器和量子器件來說至關(guān)重要。

為了測試量子熱力學(xué)，研究人員仔細(xì)測量了聲子隨著時(shí)間的推移是如何在三種模式中傳播的。研究人員著重測試了稱為“擠壓”的量子效應(yīng)是否會(huì)提升量子冰箱的性能。

擠壓意味著研究小組更精確地確定了離子的位置。由于量子不確定性原理，這增加了動(dòng)量的波動(dòng)。反過來，這又增加了在蹺蹺板模式下驅(qū)動(dòng)冷卻過程發(fā)生的平均聲子數(shù)。

令該團(tuán)隊(duì)驚訝的是，擠壓并沒有提升冰箱的性能?！叭绻愕哪芰渴怯邢薜?，與其用它來制備擠壓狀態(tài)，不如直接把它轉(zhuǎn)化成熱?！痹搶?shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者 Dzmitry Matsukevich 說。

然而，他們用“單次射擊”的方法，得到了最大冷卻量超過經(jīng)典平衡熱力學(xué)預(yù)測范圍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這種方法中，該團(tuán)隊(duì)在擺動(dòng)模式到達(dá)其自然終點(diǎn)之前，通過調(diào)整擺動(dòng)模式來停止制冷效果，冷卻程度反而超過了平衡。

該團(tuán)隊(duì)的另一名成員、物理學(xué)家 Valerio Scarani 期待該研究更進(jìn)一步的發(fā)展。“接下來的問題是，你能用它冷卻你想要的東西嗎？到目前為止，我們有冰箱的引擎，但沒有可以為啤酒制冷的容器。