乍一看，熱和冷與量子物理學沒有太大關係。單個原子既不熱也不冷。傳統上只能爲由許多粒子組成的對象定義溫度。但是維也納工業大學的研究人員與柏林大學、新加坡南洋理工大學和里斯本大學合作，現在已經可以展示當熱力學和量子物理學結合時會出現什麼可能性：人們可以專門使用量子效應來對一團超冷原子進行進一步的冷卻。這一技術於近日發表在科學雜誌“Physical Review X-Quantum”上

無論以前使用過什麼複雜的冷卻方法——使用這種技術有可能更接近絕對零度。在將這種新的冷卻概念轉變爲實際的量子製冷機之前，還需要做很多工作，但初步實驗已經表明，原則上必要的步驟是可能的。

“早在 2018 年，我們就提出了通過使用多體量子系統的量子場描述將熱機的基本原理轉移到量子系統的想法，”Jörg Schmiedmayer 教授 (TU Wien) 說。現在，來自 TU Wien 和 FU Berlin 的研究團隊詳細研究瞭如何設計這種量子熱機。他們遵循普通冰箱的工作原理：最初，一切都具有相同的溫度——冰箱內部、環境和冷卻劑。但是當您蒸發冰箱內的冷卻劑時，熱量就會從那裏提取。當冷卻劑再次液化時，熱量就會釋放到外面。因此，通過升高和降低壓力，可以冷卻內部並將熱量傳遞到環境中。

問題是這樣的過程是否也有量子版本？Jörg Schmiedmayer 教授說：“我們的想法是使用玻色-愛因斯坦凝聚物來實現這一點，這是一種極冷的物質狀態。” “近年來，我們在電磁場和激光束的幫助下非常精確地控制和操縱這種凝聚體方面獲得了大量經驗，研究了量子物理學和熱力學之間的一些基本現象。從邏輯上來說，研究的下一步是量子熱機。”

玻色-愛因斯坦凝聚被分成三個部分，它們最初具有相同的溫度。“如果你以完全正確的方式耦合這些子系統並再次將它們彼此分開，你可以實現中間部分充當活塞，可以這麼說，並允許熱能從一側轉移到另一側，”Marcus Huber解釋道。“結果是，三個子系統中的一個被冷卻下來。”

即使在開始時，玻色-愛因斯坦凝聚態也處於非常低的能量狀態——但並不是處於可能的最低能量狀態。一些能量量子仍然存在並且可以從一個子系統改變到另一個子系統——這些被稱爲“量子場的激發”。

“這些激發在我們的案例中扮演了冷卻劑的角色，”來自TU Wien的Marcus Huber教授表示。“然而，我們的系統與經典冰箱存在根本區別：在經典冰箱中，熱流只能發生在一個方向——從暖到冷。在量子系統中，它更復雜；能量也可以改變“從一個子系統到另一個子系統，然後再返回。因此，您必須非常精確地控制何時應該連接哪些子系統以及何時應該解耦。”

到目前爲止，這種量子製冷機只是一個理論概念——但實驗已經表明，必要的步驟是可行的。“現在我們知道這個想法基本上有效，我們將嘗試在實驗室中實施它，”Joao Sabino（TU Wien）說。“我們希望在不久的將來取得成功。” 這將是低溫物理學向前邁出的一大步——因爲無論你使用什麼其他方法來達到極低的溫度，你總是可以在最後添加新穎的“量子製冷機”作爲最後的額外冷卻階段來製造超冷系統甚至更冷。“如果它適用於冷原子，那麼我們的想法可以在許多其他量子系統中實現，並導致新的量子技術應用，”Jörg Schmiedmayer 說。

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參考資料

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210729122150.htm

來源：前瞻網