Investigadores en Singapur han construido un refrigerador que solo tiene tres átomos de tamaño.
Este refrigerador cuántico no mantendrá sus bebidas frías, pero es una buena prueba de que la física funciona a las escalas más pequeñas.
Los investigadores han construido antes diminutos ‘motores de calor’, pero los frigoríficos cuánticos solo existían como propuestas, hasta que el equipo del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur enfrió con sus átomos.
El dispositivo es un “refrigerador de absorción”. Funciona sin partes móviles, utilizando calor para impulsar un proceso de enfriamiento. “Nuestro dispositivo es la primera implementación del ciclo de refrigeración por absorción en la nanoescala”, dice el coautor Stefan Nimmrichter.
Para crear una nevera de absorción con solo tres átomos tomó un control exquisito. “Como científico experimental, es una alegría poder manipular átomos individuales”, dice Gleb Maslennikov, el primer autor del artículo.
Primero, los investigadores capturaron y sostuvieron tres átomos del elemento iterbio en una cámara de metal de la que habían extraído todo el aire. También sacaron un electrón de cada átomo para dejarlos con una carga positiva.
Los átomos cargados, llamados iones, se pueden mantener en su lugar con campos eléctricos. Mientras tanto, los investigadores empujan y golpean los iones con láseres para llevarlos a su estado de movimiento de energía más baja. El resultado es que los iones están suspendidos casi perfectamente inmóviles, ensartados en una línea.
Luego, otro láser inyecta algo de calor, haciendo que los iones se muevan. Los iones interactúan entre sí debido a sus cargas similares. El resultado son tres patrones de ondulación: aplastamiento y estiramiento a lo largo de la línea, como un slinky, meciéndose como un balancín girando alrededor del átomo central, y zigzagueando fuera de la línea como una cuerda para saltar.
La energía en cada modo de ondulación se cuantifica, con la energía transportada por una serie de “fonones”. Al sintonizar las frecuencias de movimiento, los investigadores establecieron las condiciones para la refrigeración: por lo que un fonón que se mueva desde el modo de balancín al modo slinky arrastrará un fonón desde el modo de zig-zag con él. El modo zig-zag pierde energía y su temperatura desciende. En su punto más frío, está dentro de los 40 microKelvin del cero absoluto (-273C), la temperatura más fría posible. Cada ronda de preparación de iones y recuento de fonones tomó hasta 70 milisegundos, con enfriamiento por alrededor de 1 ms. Este proceso se repitió miles de veces.
Estudiar dispositivos tan pequeños es importante para ver cómo la termodinámica – nuestro mejor entendimiento de los flujos de calor- puede necesitar ajustes para reflejar leyes más fundamentales. Los principios de la termodinámica se basan en los comportamientos promedio de los grandes sistemas. No tienen en cuenta los efectos cuánticos, lo que es importante para los científicos que desarrollan nanomáquinas y dispositivos cuánticos.
Para probar la termodinámica cuántica, los investigadores realizaron mediciones cuidadosas de cómo los fonones se propagan a través de los modos en el tiempo.
En particular, los investigadores probaron si un efecto cuántico conocido como ‘exprimir’ aumentaría el rendimiento del refrigerador cuántico.
Exprimir significa que el equipo fijó con mayor precisión la posición de los iones. Debido al principio de incertidumbre cuántica, eso aumenta la fluctuación en el momento. A su vez, esto aumenta el número promedio de fonones en el modo de balancín que impulsa el enfriamiento.
Para sorpresa del equipo, apretar no ayudó al refrigerador. “Si tienes una cantidad finita de energía para gastar, es mejor convertirla directamente en calor que usarla preparando un estado exprimido”, dice Dzmitry Matsukevich, quien dirigió el trabajo experimental.
Sin embargo, encuentran que la cantidad máxima de enfriamiento, que se logra con un método denominado ‘disparo único’, supera lo que predice la termodinámica clásica de equilibrio. En este enfoque, el equipo detiene el efecto de refrigeración desactivando los modos de ondulación antes de que alcance su punto final natural. El enfriamiento sobrepasa el equilibrio.
El físico Valerio Scarani, otro miembro del equipo, está ansioso por llevar las cosas más lejos. “La siguiente pregunta es, ¿puedes enfriar lo que quieres con eso? Hasta ahora, tenemos el motor de la nevera, pero no la caja para la cerveza”, dice.
Fuente: acrlatinoamerica.com