乍一看，热和冷与量子物理学没有太大关系。单个原子既不热也不冷。传统上只能为由许多粒子组成的对象定义温度。但是维也纳工业大学的研究人员与柏林大学、新加坡南洋理工大学和里斯本大学合作，现在已经可以展示当热力学和量子物理学结合时会出现什么可能性：人们可以专门使用量子效应来对一团超冷原子进行进一步的冷却。这一技术于近日发表在科学杂志“Physical Review X-Quantum”上。
无论以前使用过什么复杂的冷却方法——使用这种技术有可能更接近绝对零度。在将这种新的冷却概念转变为实际的量子制冷机之前，还需要做很多工作，但初步实验已经表明，原则上必要的步骤是可能的。
“早在 2018 年，我们就提出了通过使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的想法，”Jörg Schmiedmayer 教授 (TU Wien) 说。现在，来自 TU Wien 和 FU Berlin 的研究团队详细研究了如何设计这种量子热机。他们遵循普通冰箱的工作原理：最初，一切都具有相同的温度——冰箱内部、环境和冷却剂。但是当您蒸发冰箱内的冷却剂时，热量就会从那里提取。当冷却剂再次液化时，热量就会释放到外面。因此，通过升高和降低压力，可以冷却内部并将热量传递到环境中。
问题是这样的过程是否也有量子版本？Jörg Schmiedmayer 教授说：“我们的想法是使用玻色-爱因斯坦凝聚物来实现这一点，这是一种极冷的物质状态。” “近年来，我们在电磁场和激光束的帮助下非常精确地控制和操纵这种凝聚体方面获得了大量经验，研究了量子物理学和热力学之间的一些基本现象。从逻辑上来说，研究的下一步是量子热机。”
玻色-爱因斯坦凝聚被分成三个部分，它们最初具有相同的温度。“如果你以完全正确的方式耦合这些子系统并再次将它们彼此分开，你可以实现中间部分充当活塞，可以这么说，并允许热能从一侧转移到另一侧，”Marcus Huber解释道。“结果是，三个子系统中的一个被冷却下来。”
即使在开始时，玻色-爱因斯坦凝聚态也处于非常低的能量状态——但并不是处于可能的最低能量状态。一些能量量子仍然存在并且可以从一个子系统改变到另一个子系统——这些被称为“量子场的激发”。
“这些激发在我们的案例中扮演了冷却剂的角色，”来自TU Wien的Marcus Huber教授表示。“然而，我们的系统与经典冰箱存在根本区别：在经典冰箱中，热流只能发生在一个方向——从暖到冷。在量子系统中，它更复杂；能量也可以改变“从一个子系统到另一个子系统，然后再返回。因此，您必须非常精确地控制何时应该连接哪些子系统以及何时应该解耦。”
到目前为止，这种量子制冷机只是一个理论概念——但实验已经表明，必要的步骤是可行的。“现在我们知道这个想法基本上有效，我们将尝试在实验室中实施它，”Joao Sabino（TU Wien）说。“我们希望在不久的将来取得成功。” 这将是低温物理学向前迈出的一大步——因为无论你使用什么其他方法来达到极低的温度，你总是可以在最后添加新颖的“量子制冷机”作为最后的额外冷却阶段来制造超冷系统甚至更冷。“如果它适用于冷原子，那么我们的想法可以在许多其他量子系统中实现，并导致新的量子技术应用，”Jörg Schmiedmayer 说。
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