물리학자를 위한 새로운 측정 도구 - 양자 열펌프

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TU Delft, ETH Zürich 및 University of Tübingen의 물리학자들은 빛 입자로 만든 양자 규모 열 펌프를 개발했습니다. 이 장치의 개발을 통해 과학자들은 암흑 물질을 찾는 데 유용한 무선 주파수 신호 측정의 양자 한계에 한 걸음 더 가까이 다가갔습니다.

 

양자 열펌프, 무엇인가?

온도가 다른 두 개의 물건을 가져오면 열은 일반적으로 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 전달됩니다. 그리고 충분히 오래 기다리면 두 개의 물건은 같은 온도에 도달합니다. 물리학에서는 평형에 도달하는 것으로 알려진 과정, 즉 열 흐름의 한 방향과 다른 방향 간의 균형입니다. 우리는 의도적으로 이 균형을 깨고 열이 "반대 방향"으로 흐르게 할 수도 있습니다. 이것이 음식을 차갑게 유지하는 냉장고와 외부의 찬 공기에서 열을 빼앗아 집을 따뜻하게 하는 난방기에서 사용되는 원리입니다. 새로 발간된 논문에서 Gary Steele과 그의 공동 저자는 열 펌프의 양자 유사체를 시연하여 광자로 알려진 빛의 기본 양자 입자가 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐르는 흐름의 "반대 방향"으로 이동하도록 했습니다.

 

양자 열펌프의 원리

연구원들은 이전 연구에서 뜨거운 무선 주파수 광자를 위한 저온 수조로 장치를 이미 사용했지만 이제 이를 동시에 증폭기로 전환할 수 있었습니다. 증폭기가 내장된 이 장치는 초전도 양자 프로세서에서 나오는 증폭된 마이크로파 신호와 마찬가지로 무선 주파수 신호에 더 민감합니다. "다른 방법으로는 측정하기 어려운 주파수인 무선 주파수 신호를 측정하는 양자 한계에 더 가까워질 수 있기 때문에 매우 흥미롭습니다. 이 새로운 측정 도구는 많은 응용 분야를 가질 수 있으며 그 중 하나는 암흑 물질을 찾는 것입니다."라고 Steele은 말합니다.

광자 압력 회로로 알려진 이 장치는 절대 영도보다 몇 수백분의 1도만 높은 온도로 냉각된 실리콘 칩의 초전도 유전체와 축전기로 만들어집니다. 매우 차가울 것 같지만 회로에 있는 일부 광자에게 이 온도는 매우 뜨겁고 열 에너지로 여겨집니다. 광자 압력을 사용하여 연구원들은 이러한 여기된 광자를 고주파수 저온 광자와 결합할 수 있으며, 이전 실험에서 이를 통해 뜨거운 광자를 양자 바닥 상태로 냉각할 수 있었습니다.

이 연구에서 저자는 새로운 방식을 추가했습니다. 추가 신호를 저온 회로에 전송하여 저온 광자를 증폭하고 가열하는 모터를 만들 수 있습니다. 동시에 추가 신호는 두 회로 사이에서 한 방향으로 우선적으로 광자를 "펌핑"합니다. 광자를 다른 방향보다 한 방향으로 더 세게 밀어냄으로써 연구원들은 회로의 한 부분에 있는 광자를 다른 부분보다 낮은 온도로 냉각할 수 있어 초전도 회로에서 광자를 위한 열 펌프의 양자 버전을 만들 수 있습니다.

 

* 원본 기사: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220826141753.htm

* 논문 보기: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1690