Quantum warmtepomp: een nieuw meetinstrument voor natuurkundigen

Nieuws - 26 augustus 2022 - Communication TNW

Natuurkundigen van de TU Delft, ETH Zürich en de Universiteit van Tübingen hebben een warmtepomp op quantumschaal gebouwd van lichtdeeltjes. Dit apparaat brengt wetenschappers dichterbij de quantumlimiet om radiofrequente signalen te meten, onder meer nuttig in de zoektocht naar donkere materie. Hun werk is afgelopen vrijdag als open-access artikel in Science Advances gepubliceerd.

Wanneer twee objecten met een verschillende temperatuur bij elkaar komen, zoals een warme fles wijn bij een koud koelpack, dan stroomt de warmte normaal gesproken in een richting, van warm (de wijn) naar koud (koelpack). En als je lang genoeg wacht, zullen beiden dezelfde temperatuur aannemen, een proces dat in de natuurkunde bekend staat als een evenwicht bereiken: een balans tussen de warmtestroom de ene en de andere kant op.

Als je bereid bent om wat werk te doen, kun je deze balans breken en ervoor zorgen dat de warmte in de “verkeerde” richting stroomt. Dit is het principe waarmee een koelkast eten koel houdt, en dat efficiënte warmtepompen gebruiken om warmte te stelen van de koude buitenlucht om het huis op te warmen. In hun publicatie laten Gary Steele en coauteurs een quantumanalogie zien van een warmtepomp, die ervoor zorgt dat de elementaire lichtdeeltjes, fotonen genaamd, “tegen de stroom in” bewegen van een warm naar een koud object. 

Donkere materie-signalen

Hoewel de onderzoekers hun apparaat al hadden gebruikt als koud bad voor warme, radiofrequente fotonen in een eerdere studie, is het hen nu gelukt om er gelijktijdig een versterker van te maken. De ingebouwde versterker maakt het apparaat gevoeliger voor signalen met een radiofrequentie, net als wat er gebeurt met de versterkte microgolfsignalen die uit supergeleidende quantumprocessoren komen. “Het is heel spannend, want we kunnen dichterbij de quantumlimiet komen om radiofrequente signalen te meten, frequenties die moeilijk op een andere manier te meten zijn. Dit nieuwe meetinstrument zou allerlei toepassingen kunnen hebben, een daarvan is om donkere materie op te sporen,” zegt Steele.

Een illustratie van het apparaat, dat bestaat uit twee supergeleidende circuits: een koud, hoogfrequent circuit (in het blauw) en een warm, laagfrequent circuit (in het rood). De stroom die door het rode circuit loopt wekt een oscillerend magnetisch veld op, dat resulteert in de zogenoemde photon-pressure coupling. Door een sterk signaal naar het blauwe circuit te sturen, verandert deze in een versterker die in staat is om radiofrequente fotonen waar te nemen in het rode circuit met veel hogere gevoeligheid.

Gary Steele

Professor

Ines C. Rodrigues

Postdoc (Voormalig promovenda in Steele Lab)

/* */