El refrigerador cuántico

Las simulaciones por ordenador muestran cómo los campos cuánticos podrían utilizarse para batir récords de baja temperatura

30.07.2021 - Austria

A primera vista, el calor y el frío no tienen mucho que ver con la física cuántica. Un solo átomo no es ni caliente ni frío. La temperatura sólo puede definirse para objetos que están formados por muchas partículas. Pero en la Universidad Técnica de Viena, en colaboración con la Universidad Libre de Berlín, la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) y la Universidad de Lisboa, se han podido demostrar las posibilidades que surgen cuando se combinan la termodinámica y la física cuántica: Se pueden utilizar específicamente los efectos cuánticos para enfriar aún más una nube de átomos ultrafríos.

No importan los sofisticados métodos de enfriamiento que se hayan utilizado antes: con esta técnica, que se ha presentado ahora en la revista científica "Physical Review X-Quantum", se puede llegar aún más cerca del cero absoluto. Todavía hay que trabajar mucho antes de que este nuevo concepto de refrigeración pueda convertirse en un verdadero refrigerador cuántico, pero los primeros experimentos ya muestran que, en principio, los pasos necesarios son posibles.

Un nuevo campo de investigación: la termodinámica cuántica

"La termodinámica ha desempeñado durante mucho tiempo un papel importante en las máquinas mecánicas clásicas: pensemos en las máquinas de vapor o los motores de combustión, por ejemplo. Hoy en día, se están desarrollando máquinas cuánticas de tamaño minúsculo, pero la termodinámica apenas ha desempeñado un papel en ellas hasta ahora", explica el profesor Eisert, de la Universidad Libre de Berlín.

"Si se quiere construir una máquina térmica cuántica, hay que cumplir dos requisitos que son fundamentalmente contradictorios entre sí", explica el profesor Marcus Huber, del Instituto Atómico de la Universidad Técnica de Viena. "Tiene que ser un sistema formado por muchas partículas y en el que no se pueda controlar con precisión cada detalle. Si no, no se puede hablar de calor. Y al mismo tiempo, el sistema debe ser lo suficientemente sencillo y controlable con suficiente precisión como para no destruir los efectos cuánticos. Si no, no se puede hablar de una máquina cuántica".

"Ya en 2018, se nos ocurrió la idea de transferir los principios básicos de las máquinas térmicas a los sistemas cuánticos mediante el uso de descripciones de campo cuántico de sistemas cuánticos de muchos cuerpos", dice el profesor Jörg Schmiedmayer (Instituto Atómico, TU Wien). Ahora, el equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena y la Universidad Federal de Berlín ha examinado en detalle cómo se pueden diseñar concretamente estas máquinas de calor cuánticas. Se guiaron por el principio de funcionamiento de un frigorífico normal: inicialmente, todo tiene la misma temperatura: el interior del frigorífico, el entorno y el refrigerante. Pero cuando se evapora el refrigerante en el interior del frigorífico, se extrae calor allí. A continuación, el calor se libera en el exterior cuando el refrigerante vuelve a licuarse allí. Así que subes la presión y la vuelves a bajar, y a través de esta interacción puedes hacer que esté más frío por dentro y más caliente por fuera.

La pregunta era si también podría haber una versión cuántica de dicho proceso. "Nuestra idea era utilizar para ello un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia extremadamente frío", explica el profesor Jörg Schmiedmayer. "En los últimos años, hemos adquirido mucha experiencia en el control y la manipulación de dichos condensados con gran precisión con la ayuda de campos electromagnéticos y rayos láser, investigando algunos de los fenómenos fundamentales en la frontera entre la física cuántica y la termodinámica. El siguiente paso lógico era entonces la máquina de calor cuántica".

Redistribución de la energía a nivel atómico

Dicho condensado de Bose-Einstein se divide en tres partes, que inicialmente tienen la misma temperatura. "Si se acoplan estos subsistemas de forma exacta y se separan de nuevo entre sí, se puede conseguir que la pieza del centro actúe como un pistón, por así decirlo, y permita que la energía térmica migre de un lado a otro", explica Marcus Huber. "Como resultado, uno de los tres subsistemas tiene una temperatura más baja al final que al principio".

Incluso al principio, el condensado de Bose-Einstein se encuentra en un estado de muy baja energía, pero no exactamente en el estado de menor energía posible. Los cuantos individuales de energía siguen estando presentes y pueden cambiar de un subsistema a otro, lo que se conoce como "excitaciones del campo cuántico".

"Estas excitaciones asumen el papel del refrigerante en nuestro caso", dice Marcus Huber. "Sin embargo, hay diferencias fundamentales entre nuestro sistema y un refrigerador clásico: en un refrigerador clásico, el flujo de calor siempre conoce una sola dirección: de caliente a frío. En un sistema cuántico, es más complicado; la energía también puede cambiar de un subsistema a otro y volver de nuevo. Así que hay que controlar con mucha precisión cuándo deben conectarse los subsistemas y cuándo no".

Hasta ahora, este refrigerador cuántico es sólo un concepto teórico, pero los experimentos ya han demostrado que los pasos necesarios son factibles. "Ahora que sabemos que la idea funciona básicamente, intentaremos aplicarla en el laboratorio", dice Joao Sabino (TU Viena). "Esperamos tener éxito en un futuro próximo". Esto supondría un avance espectacular en la física de bajas temperaturas, ya que, independientemente de los otros métodos que se utilicen para alcanzar temperaturas extremadamente bajas, el novedoso "refrigerador cuántico" podría añadirse al final como una última etapa de enfriamiento adicional para que una parte del sistema ultrafrío se enfríe un poco más. "Si funciona con átomos fríos, nuestras ideas pueden aplicarse a muchos otros sistemas cuánticos y dar lugar a nuevas aplicaciones de tecnología cuántica", afirma Jörg Schmiedmayer.

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