Des chercheurs de Singapour ont construit un réfrigérateur de trois atomes seulement. Ce réfrigérateur quantique ne gardera pas vos boissons au frais, mais c'est une belle preuve que la physique fonctionne aux plus petites échelles. Le travail est décrit dans un article publié le 14 janvier dans Communication Nature .

Les chercheurs ont déjà construit de minuscules moteurs thermiques, mais les réfrigérateurs quantiques précédents n'étaient que théoriques, jusqu'à ce que l'équipe du Center for Quantum Technologies de l'Université nationale de Singapour se refroidisse avec leurs atomes. L'appareil est un "réfrigérateur à absorption". Il fonctionne sans pièces mobiles, utilisant la chaleur pour piloter un processus de refroidissement.

Les premiers réfrigérateurs à absorption, introduit dans les années 1850, cyclé l'évaporation et l'absorption d'un liquide, avec refroidissement se produisant pendant la phase d'évaporation. Ils ont été largement utilisés pour faire de la glace et refroidir les aliments jusqu'au 20ème siècle. Albert Einstein détenait même un brevet sur une conception améliorée. Les réfrigérateurs et les climatiseurs d'aujourd'hui utilisent plus souvent un compresseur, mais les réfrigérateurs à absorption ont toujours leur utilité, y compris les expériences scientifiques.

"Notre dispositif est la première mise en œuvre du cycle frigorifique à absorption à l'échelle nanométrique, ", explique le co-auteur Stefan Nimmrichter. Pour créer un réfrigérateur à absorption avec seulement trois atomes, il fallait un contrôle exquis. "En tant que scientifique expérimental, c'est un pur bonheur de pouvoir manipuler des atomes individuels, " dit Gleb Maslennikov, le premier auteur de l'article.

D'abord, les chercheurs ont capturé et maintenu trois atomes de l'élément Ytterbium dans une chambre métallique dont ils avaient retiré tout l'air. Ils ont également retiré un électron de chaque atome pour leur laisser une charge positive. Les atomes chargés, appelés ions, peuvent alors être maintenus en place grâce à des champs électriques. Pendant ce temps, les chercheurs poussent et zappent les ions avec des lasers pour les amener dans leur état de mouvement le plus énergétique. Le résultat est que les ions sont suspendus presque parfaitement immobiles, tendus en ligne.

Un autre zap laser injecte alors de la chaleur, faire trembler les ions. Les ions interagissent les uns avec les autres en raison de leurs charges similaires. Le résultat est trois modèles de tortillement :écrasement et étirement le long de la ligne comme un Slinky, se balançant comme une balançoire pivotant autour de l'atome central, et zigzaguant hors de la ligne comme une corde à sauter ondulante.

L'énergie dans chaque mode de tremblement est quantifiée, avec l'énergie transportée par un certain nombre de soi-disant phonons. En réglant les fréquences de tremblement, les chercheurs ont mis en place des conditions de réfrigération telles qu'un phonon passant du mode balançoire au mode Slinky entraînera avec lui un phonon du mode zigzag. Le mode zig-zag perd ainsi de l'énergie, et sa température baisse. Au plus froid, il est à moins de 40 microKelvin du zéro absolu (-273C), la température la plus froide possible. Chaque cycle de préparation d'ions et de comptage de phonons prenait jusqu'à 70 millisecondes, avec refroidissement pendant environ une milliseconde. Ce processus a été répété des milliers de fois.

L'étude de ces petits appareils est importante pour voir comment la thermodynamique - notre meilleure compréhension des flux de chaleur - peut nécessiter des ajustements pour refléter des lois plus fondamentales. Les principes de la thermodynamique sont basés sur les comportements moyens des grands systèmes. Ils ne prennent pas en compte les effets quantiques, ce qui compte pour les scientifiques qui construisent des nanomachines et des dispositifs quantiques.

Pour tester la thermodynamique quantique, les chercheurs ont mesuré avec soin la façon dont les phonons se propagent à travers les modes au fil du temps. En particulier, les chercheurs ont testé si un effet quantique connu sous le nom de « compression » augmenterait les performances du réfrigérateur quantique. Serrer signifie fixer plus précisément la position des ions. En raison du principe d'incertitude quantique, qui augmente la fluctuation de la quantité de mouvement. À son tour, cela augmente le nombre moyen de phonons dans le mode bascule qui entraîne le refroidissement.

A la surprise de l'équipe, presser n'a pas aidé le réfrigérateur. "Si vous avez une quantité limitée d'énergie à dépenser, il vaut mieux le transformer directement en chaleur que de l'utiliser en préparant un état pressé, " dit Dzmitry Matsukevich, qui a dirigé le travail expérimental.

Cependant, ils ont trouvé la quantité maximale de refroidissement, qui a été réalisé avec une méthode surnommée "single shot, " dépasse ce que prédit la thermodynamique d'équilibre classique. Dans cette approche, l'équipe arrête l'effet de réfrigération en désaccordant les modes d'oscillation avant que le système n'atteigne son point final naturel. Le refroidissement dépasse l'équilibre.

le physicien Valerio Scarani, un autre membre de l'équipe, a hâte d'aller plus loin. "La question suivante est, pouvez-vous refroidir ce que vous voulez avec ? Jusque là, nous avons le moteur du frigo, mais pas la boîte pour la bière, " il dit.