研究团队有望打造出新型“量子冰箱”，能量可在子系统间传输并返回

乍一看，热和冷与量子物理学没有多大关系。单个原子既不热也不冷。传统上，温度只能针对由许多粒子组成的物体进行定义。

而近期，维也纳工业大学和新加坡南洋理工大学等领导的一个研究团队，已经可以展示热力学和量子物理学相结合时出现的可能性：一个专门可以使用量子效应进一步冷却的超冷原子云。

无论以前使用过什么复杂的冷却方法——有了这项技术，它有可能更接近绝对零度。这项技术现在已经发表在科学杂志《物理评论X-量子》(Physical Review X-Quantum)上。

据悉，通过结合量子理论和热力学，科学家将有望设计出一种新型的原子制冷机，它可以进一步冷却极冷的玻色-爱因斯坦凝聚物。

早在2018年，研究人员们就提出了利用多体量子系统的量子场描述，将热机的基本原理转移到量子系统。现在，来自维也纳工业大学和柏林工业大学的研究小组详细研究了如何设计这样的量子热机器。他们遵循的是普通冰箱的工作原理：

最初，所有东西的温度都是相同的——冰箱内部、环境和冷却剂。但是当你蒸发冰箱里的冷却剂时，热量就被提取出来了。当冷却剂再次液化时，热量被释放到外面。因此，通过提高和降低压力，就有可能冷却内部并将热量传递到环境中。

这样的过程是否也有量子版本？他们的想法是使用玻色-爱因斯坦凝聚态，来研究这种物质的极冷状态。

“近年来，在电磁场和激光束的帮助下，我们在非常精确地控制和操纵这种冷凝物方面获得了很多经验，研究了量子物理和热力学之间的一些基本现象。合乎逻辑的下一步就是量子热机。”维也纳工业大学的Jörg Schmiedmayer教授表示。

玻色-爱因斯坦凝聚体被分成三个部分，它们最初有相同的温度。但如果你以正确的方式耦合这些子系统，并再次将它们彼此分离，你就可以实现中间的部分充当“活塞”让热能从一边传递到另一边——结果，三个子系统中的一个被冷却下来。

一些能量量子仍然存在，可以从一个子系统转变到另一个子系统——这些被称为“量子场的激发”（excitations of the quantum field）。

在他们的实验中，这些激发起到了冷却剂的作用。然而，他们的系统和传统冰箱有根本的区别：在传统冰箱中，热流只能从一个方向发生——从热到冷。在量子系统中，这要复杂得多；而且能量也可以从一个子系统转换到另一个子系统，然后再返回。因此，你必须非常精确地控制哪些子系统应该连接，哪些子系统应该分离。

到目前为止，这种“量子冰箱”还只是一个理论概念，但实验已经表明，必要的步骤是可行的。研究人员们将尝试在实验室中实施它，未来有望带来新的量子技术应用。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://phys.org/news/2021-07-spin-sonics-acoustic-electrons.html