Физики собрали демона Максвелла для фотонов
Физики из Нидерландов, Швейцарии и Германии создали тепловой насос квантовых размеров, состоящий из фотонов. Устройство приближает учёных к квантовому пределу измерения радиосигналов, что может оказаться полезным при поиске тёмной материи.
При соприкосновении предметов разной температуры тепло передаётся только от более нагретого к более холодному. Если подождать достаточное количество времени, температура предметов сравняется — будет достигнуто тепловое равновесие. Передача температуры в обе стороны будет сбалансирована.
Можно приложить работу, нарушить баланс и заставить тепло перетекать в одном направлении. На этом принципе работают холодильники и кондиционеры. В 1867 году британский физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, получивший название «демон Максвелла», который якобы приводит к парадоксу с энтропией. Позднее учёные смогли объяснить, почему парадокса не происходит.
Наиболее эффективные тепловые насосы могут забирать тепло от холодного воздуха снаружи для обогрева вашего дома. А в научной публикации учёные демонстрируют квантовый аналог такого теплового насоса, в котором фотоны двигаются «против течения» — от горячего объекта к холодному.
Устройство представляет собой электронную схему, работающую с давлением фотонов, и состоит из сверхпроводящих индукторов и конденсаторов на кремниевом чипе, охлаждённом почти до абсолютного нуля. Звучит как довольно прохладное окружение –, но для некоторых фотонов в цепи эта температура очень высока, и они возбуждаются этой тепловой энергией. Используя фотонное давление, исследователи соединяют эти возбужденные фотоны с холодными фотонами более высокой частоты.
В предыдущих экспериментах это позволило им охладить «горячие» фотоны до их основного квантового состояния. В новой работе дополнительный сигнал, отправленный в электронную схему, работает как усилитель «холодных» фотонов, и перенаправляет фотоны преимущественно в одну сторону. В результате одна часть схемы становится теплее другой — как в тепловом насосе.
В предыдущем исследовании учёные использовали это устройство для улавливания высокочастотных фотонов, а сейчас они смогли превратить его в усилитель. Теперь оно более чувствительно к сигналам радиочастотного диапазона. Такие частоты очень сложно измерять, и новое устройство может найти себе применение в различных областях, в том числе в поисках тёмной материи.
