A première vue, la chaleur et le froid n'ont pas grand chose à voir avec la physique quantique. Un seul atome n'est ni chaud ni froid. La température ne peut traditionnellement être définie que pour des objets constitués de nombreuses particules. Mais à la TU Wien, en collaboration avec FU Berlin, Université technologique de Nanyang à Singapour et Université de Lisbonne, il a maintenant été possible de montrer quelles possibilités se présentent lorsque la thermodynamique et la physique quantique sont combinées :on peut spécifiquement utiliser des effets quantiques pour refroidir encore plus un nuage d'atomes ultrafroids.

Quelles que soient les méthodes de refroidissement sophistiquées utilisées auparavant, avec cette technique, qui vient d'être présenté dans la revue scientifique Examen physique X-Quantum , il est possible de se rapprocher un peu du zéro absolu. Beaucoup de travail est encore nécessaire avant que ce nouveau concept de refroidissement puisse être transformé en un véritable réfrigérateur quantique, mais les premières expériences montrent déjà que les démarches nécessaires sont en principe possibles.

Un nouveau domaine de recherche :la thermodynamique quantique

"Pendant longtemps, la thermodynamique a joué un rôle important pour les machines mécaniques classiques - pensez aux moteurs à vapeur ou aux moteurs à combustion, par exemple. Aujourd'hui, les machines quantiques sont développées à petite échelle. Et là, la thermodynamique n'y a pratiquement pas joué de rôle jusqu'à présent », explique le professeur Eisert de l'Université libre de Berlin.

"Si vous voulez construire une machine à chaleur quantique, vous devez remplir deux exigences qui sont fondamentalement contradictoires, " explique le professeur Marcus Huber de la TU Wien. " Il doit s'agir d'un système composé de nombreuses particules et dans lequel vous ne pouvez pas contrôler exactement chaque détail. Sinon, vous ne pouvez pas parler de chaleur. Et en même temps, le système doit être suffisamment simple et contrôlable avec suffisamment de précision pour ne pas détruire les effets quantiques. Autrement, vous ne pouvez pas parler d'une machine quantique."

"De retour en 2018, nous avons eu l'idée de transférer les principes de base des machines thermiques aux systèmes quantiques en utilisant des descriptions de champs quantiques des systèmes quantiques à plusieurs corps, " explique le professeur Jörg Schmiedmayer (TU Wien). Maintenant, l'équipe de recherche de la TU Wien et de la FU Berlin a examiné en détail comment de telles machines à chaleur quantique peuvent être conçues. Elles ont été guidées par le principe de fonctionnement d'un réfrigérateur ordinaire :au départ, tout a la même température—l'intérieur du réfrigérateur, l'environnement et le liquide de refroidissement. Mais lorsque vous évaporez le liquide de refroidissement à l'intérieur du réfrigérateur, la chaleur y est extraite. La chaleur est ensuite libérée à l'extérieur lorsque le liquide de refroidissement est à nouveau liquéfié. Ainsi, en augmentant et en abaissant la pression, il est possible de refroidir l'intérieur et de transférer la chaleur à l'environnement.

La question était de savoir s'il pouvait également exister une version quantique d'un tel processus. "Notre idée était d'utiliser un condensat Bose-Einstein pour cela, un état extrêmement froid de la matière, " explique le professeur Jörg Schmiedmayer. " Ces dernières années, nous avons acquis une grande expérience dans le contrôle et la manipulation très précise de tels condensats à l'aide de champs électromagnétiques et de faisceaux laser, étudier certains des phénomènes fondamentaux à la frontière entre la physique quantique et la thermodynamique. La prochaine étape logique était la machine à chaleur quantique."

Redistribution d'énergie au niveau atomique

Un condensat de Bose-Einstein est divisé en trois parties, qui ont initialement la même température. « Si vous couplez ces sous-systèmes exactement de la bonne manière et que vous les séparez à nouveau, vous pouvez réaliser que la partie au milieu agit comme un piston, pour ainsi dire, et permet de transférer l'énergie thermique d'un côté à l'autre, " explique Marcus Huber. " En conséquence, l'un des trois sous-systèmes est refroidi."

Même au début, le condensat de Bose-Einstein est dans un état de très basse énergie, mais pas tout à fait dans l'état d'énergie le plus bas possible. Certains quanta d'énergie sont toujours présents et peuvent changer d'un sous-système à un autre, ce sont les « excitations du champ quantique ».

"Ces excitations jouent le rôle du caloporteur dans notre cas, " dit Marcus Huber. " Cependant, il existe des différences fondamentales entre notre système et un réfrigérateur classique :Dans un réfrigérateur classique, le flux de chaleur ne peut se produire que dans une seule direction, du chaud au froid. Dans un système quantique, c'est plus compliqué; l'énergie peut également changer d'un sous-système à un autre puis revenir à nouveau. Vous devez donc contrôler très précisément quand quels sous-systèmes doivent être connectés et quand ils doivent être découplés."

Jusque là, ce réfrigérateur quantique n'est qu'un concept théorique, mais des expériences ont déjà montré que les étapes nécessaires sont réalisables. "Maintenant que nous savons que l'idée fonctionne essentiellement, nous allons essayer de l'implémenter en labo, " dit Joao Sabino (TU Wien). " Nous espérons réussir dans un avenir proche. " Ce serait un pas en avant spectaculaire dans la physique cryogénique, car quelles que soient les autres méthodes que vous utilisez pour atteindre des températures extrêmement basses, vous pouvez toujours ajouter le nouveau « réfrigérateur quantique » à la fin comme étape de refroidissement supplémentaire finale pour rendre une partie du système ultrafroid encore plus froide. "Si ça marche avec des atomes froids, alors nos idées peuvent être mises en œuvre dans de nombreux autres systèmes quantiques et conduire à de nouvelles applications de la technologie quantique, " dit Jörg Schmiedmayer.