Crean una bomba cuántica de calor

Unos científicos han construido un dispositivo de bombeo de calor a escala cuántica hecho con partículas de luz. Este dispositivo acerca a los científicos al límite cuántico de la medición de señales de radiofrecuencia, algo útil, por ejemplo, en la búsqueda de la materia oscura, una forma hipotética de materia que, por lo que se sabe, es más abundante en el universo que la propia materia normal de la que están hechas las estrellas, los planetas y los demás astros.

El singular dispositivo cuántico es obra de un equipo internacional que incluye especialistas de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH) y la Universidad de Tubinga en Alemania.

Si ponemos juntos dos objetos de diferente temperatura, como cuando colocamos una botella caliente dentro de un recipiente lleno de cubitos de hielo, el calor fluye en una dirección muy previsible: desde el objeto caliente hacia el frío. Y si esperamos el tiempo suficiente, ambos objetos alcanzarán la misma temperatura, un proceso que en física se describe como alcanzar el equilibrio, o sea un balance entre el flujo de calor en un sentido y en otro.

Sin embargo, aplicando la energía necesaria al proceso idóneo, es posible romper este equilibrio y hacer que el calor fluya en el sentido "contrario". Este es el principio que se utiliza en los frigoríficos para mantener los alimentos fríos, y en las bombas de calor que extraen calor del aire frío del exterior para calentar el interior de la vivienda.

Gary Steele, de la Universidad Tecnológica de Delft, y sus colegas han conseguido demostrar un fenómeno cuántico análogo al de la bomba de calor, que provoca que las partículas cuánticas elementales de luz, conocidas como fotones, se muevan en sentido contrario al flujo normal, el que va desde un objeto caliente ("brillante") hacia uno frío ("oscuro").

Una ilustración del dispositivo, que consta de dos circuitos superconductores: un circuito frío de alta frecuencia (en azul) y un circuito caliente de baja frecuencia (en rojo). Aquí, la corriente que fluye en el circuito rojo genera un campo magnético oscilante que conduce a un efecto de acoplamiento relacionado con los fotones y la presión. Al enviar una señal fuerte al circuito azul de alta frecuencia, este se transforma en un amplificador capaz de detectar con una sensibilidad mucho mayor los fotones de radiofrecuencia que fluyen en el circuito rojo. (Imagen: gentileza del equipo de investigación)

Aunque los investigadores ya habían utilizado su dispositivo como baño frío para fotones de radiofrecuencia calientes en un estudio anterior, ahora han conseguido convertirlo simultáneamente en un amplificador. Con el amplificador incorporado, el dispositivo es más sensible a las señales de radiofrecuencia.

El dispositivo está fabricado con inductores y condensadores superconductores en un chip de silicio enfriado a solo unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. A la temperatura más baja que permiten las leyes de la física se la llama "cero absoluto". A pesar de lo bajísima que es la temperatura alcanzada en el dispositivo, algunos de los fotones del circuito todavía están excitados con algo energía térmica. Mediante un efecto de presión fotónica, los investigadores pueden acoplar estos fotones excitados a fotones fríos de mayor frecuencia, lo que en experimentos anteriores les permitió enfriar los fotones calientes hasta su estado básico cuántico.

Ahora, los investigadores han conseguido además enviar una señal extra al circuito frío, mediante la cual son capaces de crear un motor que amplifica los fotones fríos y los calienta, por así decirlo. Al mismo tiempo, la señal extra "bombea" los fotones preferentemente en una dirección entre los dos circuitos. Al empujar los fotones con más fuerza en una dirección que en la otra, los investigadores son capaces de enfriar los fotones de una parte del circuito a una temperatura más fría que la de la otra parte, creando una versión cuántica de la bomba de calor para fotones en un circuito superconductor.

Steele y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Science Advances, bajo el título “Parametrically enhanced interactions and non-reciprocal bath dynamics in a photon-pressure Kerr amplifier”. (Fuente: NCYT de Amazings)