Квантовият хладилник

Когато студено мляко се изсипе в чаша с горещ чай, температурното равновесие се постига бързо. След известно време на взаимодействие между капките мляко и чай се постига относително хомогенна температура в цялата течност.

Този процес играе ключова роля в охлаждането на газове до свръхниски температури. Изненадващото е, че дори газове, при които този ефект е потиснат, могат да бъдат охлаждани. Учени от Техническия университет във Виена са наблюдавали това явление и са открили специален квантово-механичен охлаждащ ефект.

„Частиците, които съставляват течностите и газовете, имат различни енергии“, казва проф. Йорг Шмидмайер (Jörg Schmiedmayer). „Разпространението на тази енергия зависи от температурата на средата. Колкото по-горещ е даден газ, толкова по-голям е броят на високоенергийните частици.“

Следователно, можем да използваме прост трик, чрез който да охлаждаме газове – с помощта на електромагнитни полета, частиците с най-много енергия се премахват от газа. Останалите частици преразпределят енергията и по този начин газът се охлажда.

„Подобно е на това, когато духате гореща напитка, за да изстине по-бързо“, казва Бернард Рауер (Bernhard Rauer), който водел експериментите в изследователската група на Шмидмайер. „Частиците с най-много енергия напускат течността и биват издухани. Останалата част от течността достига температурно равновесие, като вече е по-студена.“

Все пак не винаги е възможно да се постигне температурен еквилибриум. Например „люлката на Нютон“ е устройство, при което няколко подредени в линия сфери са провиснати на връв. Когато една от сферите е приведена в движение и се удря в останалите, движението се предава на всяка следваща, а другите се връщат в състояние на покой.

„В този случай сферите обменят енергия само със съседите се. Така никога няма да се получи топлинно разпространение между няколко различни вида енергия“, добавя Рауер.

Ученият изследвал подобна система – едноизмерен газ от атоми, поставени в правя линия чрез електромагнитен капан. Атомите са способни да предават енергия точно както сферите в люлката на Нютон. Тогава би трябвало да се очаква, че охлаждащият механизъм чрез премахване на най-заредените частици няма да проработи. Според този опростен модел енергия, която липсва, е изчезнала завинаги.

За изненада на учените това не се оказало вярно за едноизмерния газ. Той може да бъде охлаждан чрез постоянно премахване на богати на енергия частици. Причината за този ефект се крие в разбирането ни за частиците. Трябва да гледаме на тях от гледна точка на квантовата механика.

„Не трябва да мислим за единични сблъскващи се частици както при люлката на Нютон. Вместо това трябва да вземем предвид колективното възбуждане, което се разпределя между много на брой частици – нещо подобно на морска вълна, която представлява множество водни молекули, движещи се колективно“, обяснява Шмидмайер.

Такива квантови вълни съхраняват енергията на системата и колкото повече частици се премахнат, толкова по-спокойни стават тези вълни. Това е квантово-механичен охлаждащ процес, който не би трябвало да е възможен според класическите прости закони на природата.

„Това е важно за нас, защото обикновено квантовата физика се изучава в прости системи, състоящи се от само няколко частици (атом с няколко електрона). Сега разполагаме със система, която определено проявява квантово поведение и е съставена от хиляди атоми“, завършва професорът.

Science Daily