世界上第一臺只有三個原子大小的量子冰箱誕生

據 Nanowerk News 2 月 1 日報導，新加坡的研究人員建造了一個只有三個原子大的冰箱。這種量子冰箱不會讓你的飲料冷卻，但它是它是物理學在最小尺度上運行的絕佳證據。該研究成果發表在 Nature Communications 期刊，論文題目為"Quantum absorption refrigerator with trapped ions"。

研究人員以前也製造過微型「熱力發動機」，在新加坡國立大學量子技術中心的研究小組實現用原子建造冰箱以前，量子冰箱只是作為一種設想而存在。

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

該裝置是一種「吸收式冰箱」，它可以在沒有移動部件的情況下工作，利用熱量來驅動冷卻過程。

第一臺吸收式冰箱於 19 世紀 50 年代問世，它將液體的蒸發和吸收進行循環，在蒸發階段進行冷卻。在 20 世紀，它們廣泛應用於製冰和冷藏食物。Albert Einstein 甚至擁有一項改進冰箱設計的專利。

現如今，雖然冰箱和空調更多地使用壓縮機，但吸收式冰箱仍有其用途，比如應用於科學實驗。

「我們的設備是第一個在納米尺度上實現吸收式循環製冷的，」共同作者 Stefan Nimmrichter 說。

創造一個只有三個原子的吸收式冰箱需要精細的控制。「作為一名實驗科學家，能夠操縱單個原子是一件純粹的樂事，」論文第一作者 Gleb Maslennikov 說。

首先，研究人員在一個金屬腔中捕獲並保存了三個鐿原子，並從金屬腔中除去了所有的空氣。它們還從每個原子上拿走一個電子，讓每個原子帶一個單位的正電荷。

帶正電的離子可以在電場的作用下保持原位。與此同時，研究人員用雷射輕推並轟擊這些離子，使它們進入運動的最低能量狀態。結果是離子幾乎完全懸浮，並排成一條直線。

用另一個雷射轟擊注入熱量，使離子擺動。由於離子間具有相同的電荷，彼此間具有相互作用力。結果產生了三種擺動模式：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，或者像揮舞著的跳繩一樣曲折蜿蜒（Z 字形）。

每個擺動模式的能量都是量子化的，能量由許多「聲子」攜帶。通過調節擺動頻率，研究人員設定了製冷條件:使一個聲子從蹺蹺板模式移動到彈簧模式，Z 字形模式也隨之失去一個聲子。Z 字形模式因此失去能量，並且其溫度下降。最冷可達到絕對零度 (-273℃) 的 40 微開爾文範圍內。每一輪準備離子和計數聲子的實驗過程耗時 70 毫秒，冷卻過程持續約 1 毫秒。這種過程重複了數千次。

研究這樣的小裝置很重要，可以讓我們了解到如何調整我們非常熟悉的熱力學以反映更基本的定律。熱力學原理基於宏觀系統的平均行為。他們沒有把量子效應考慮進去，而量子效應對於建造納米機器和量子器件來說至關重要。

為了測試量子熱力學，研究人員仔細測量了聲子隨著時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」的量子效應是否會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。由於量子不確定性原理，這增加了動量的波動。反過來，這又增加了在蹺蹺板模式下驅動冷卻過程發生的平均聲子數。

令該團隊驚訝的是，擠壓並沒有提升冰箱的性能。「如果你的能量是有限的，與其用它來製備擠壓狀態，不如直接把它轉化成熱。」該實驗的領導者 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典平衡熱力學預測範圍的實驗結果。在這種方法中，該團隊在擺動模式到達其自然終點之前，通過調整擺動模式來停止製冷效果，冷卻程度反而超過了平衡。

該團隊的另一名成員、物理學家 Valerio Scarani 期待該研究更進一步的發展。「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，但沒有可以為啤酒製冷的容器。