Найхолодніша речовина в світі як теплоносій

Ультрахолодна атомна хмара охолоджує вібраційну мембрану поблизу абсолютного нуля

Хмара надхолодних атомів (червона) використовується для охолодження механічних коливань мембрани розміром міліметра (коричнева, у чорній рамці). © Tobias Kampschulte, Базельський університет
читати вголос

Атомний квантовий холодильник: крихітні хмари надхолодного атомного газу також можуть використовуватися в якості теплоносія. За допомогою такої квантової механічної системи швейцарські вчені охолоджували вібраційну мембрану менше ніж на один градус вище абсолютного нуля. Цей метод охолодження може, серед іншого, включити нові точні вимірювальні прилади, повідомляють дослідники у журналі "Nature Nanotechnology".

Близько абсолютного нуля температури атоми майже не рухаються більше. Однак настільки сповільнити частинки непросто: вам потрібна вакуумна камера і лазерні промені, щоб уповільнити атоми до темпу равлика, тоді їх температура менше мільйонної частки градуса вище абсолютного нуля. Але тоді вони виявляють унікальні властивості: крихітна хмара надхолодних атомів підкоряється законам квантової фізики: частинки рухаються, як маленькі хвильові пакети, через простір і можуть перебувати в суперпозиції з кількох місць одночасно. В атомних годинниках та точних вимірювальних приладах такі хмари можна також використовувати технологічно.

Крихітні вушні пробки в атомному холодильнику

Але чи можна ці холодні гази також використовувати як теплоносій для охолодження інших предметів до низьких температур? Це дозволило б проводити нові дослідження квантової фізики, можливо, навіть у більших системах, ніж раніше. Проблема в цьому полягає в тому, що атоми мікроскопічно малі і навіть найбільші хмари мільярдів ультрахолодних атомів все ще містять набагато менше частинок, ніж невелике зерно піску. Це обмежує здатність охолодження атомів.

Дослідники під керівництвом Філіпа Треутлейна з Базельського університету вирішили цю проблему: ультрахолодні атоми вони охололи і тим самим уповільнили коливання мембрани розміром міліметра. Мембрана - це 50-нанометрова тонка плівка нітриду кремнію, яка коливається вгору-вниз, як хутро невеликого квадратного барабана. Такі так звані механічні генератори ніколи не знаходяться повністю в спокої, а виконують коливання, які залежать від температури.

Використовуючи лазерний промінь, дослідники дозволили ультрахолодним атомам взаємодіяти з цією мембраною: "Лазерне світло надає сили на мембрану та атоми", - пояснює перший автор Андреас Йоккель. "Якщо мембрана вібрує, світло діє на атоми і навпаки." Лазерна штамп передає ефект охолодження таким чином на відстані декількох метрів, так що атомна Хмара не потребує прямого контакту з мембраною. Досягнуті показники охолодження є вражаючими: менше ніж на один градус вище абсолютного нуля коливання мембрани зменшуються, хоча мембрана містить приблизно мільярд разів більше частинок, ніж атомна хмара. дисплей

Нові експерименти з квантовими фізичними основами

Раніше в теоретичних роботах вже були запропоновані системи, в яких ультрахолодні атоми та механічні осцилятори з'єднані світлом. Треутлен та його колеги зараз це здійснили експериментально. Охолодження за допомогою атомів є лише першим кроком для дослідників. З подальшим технічним удосконаленням вчені сподіваються також охолодити мембрану до квантового механічного основного стану, в якому розташована атомна хмара,

Це могло б забезпечити фундаментальні експерименти з квантової фізики в набагато більшій механічній системі, ніж досі таку систему можна було побачити навіть неозброєним оком. Крім того, можуть утворюватися так звані обмежені стани атомів і мембран. Це дозволило б виміряти мембранні коливання з небувалою точністю, що, в свою чергу, може бути використане в нових датчиках для малих сил і мас. (Nature Nanotechnology, 2014; doi: 10.1038 / nnano.2014.278)

(Базельський університет, 25.11.2014 - AKR)