علماء فيزياء يبنون ثلاجة كمومية

بهدف فهم العلاقة بين الديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم، كان علماء الفيزياء يحققون، في الآونة الأخيرة، في الحدود الأساسية لأصغر ثلاجة كمومية ممكنة. كما الثلاجة التقليدية، يجب أن تكون الالة قادرا على نقل الحرارة من خزان إلى آخر. في دراسة جديدة، اقترح علماء الفيزياء ثلاجة الكم هذه ، والتي تتكون من أربع نقاط كمومية فقط، تكون كل منها في اتصال مع الخزان الحراري. لقد أظهروا نظرياً أن هذا النظام يمكنه استخراج الحرارة من برودة خزان وتبريد نقاط الكم القريبة، مما يجعلها واحدة من أصغر الثلاجات الكم المقترحة حتى الآن.

وقد نشر الفيزيائيون “دافيدي فينتوريلي”،” روزاريو فازيو”، و”فيتوريو جيوفانيتتي” في “سكولا نورمال سوبريوري” في مدينة “بيزا” الإيطالية، ورقتهم عن الحد الأدنى لثلاجة الكم في العدد الأخير من ” Physical Review Letters” . “فينتوريلي “هو أيضا مع مركز ابحاث “اميس” التابع لناسا يقع في “موفيت فيلد” بولاية كاليفورنيا، و كذلك فازيو وجيوفانيتتي مع المؤسسة الوطنية للعلوم النانوية وتكنولوجيا النانو (NEST) في بيزا.

ويتكون النظام المقترح من أربعة اجسام كمومية مرتبة بشكل مربع، يسميه الباحثون”رباعي النقاط”. أظهر العلماء نظرياً أن هذا الرباعي النقاط هو بمثابة ثلاجة كمومية عندما يقترن بأربعة خزانات مستقلة (خزان بارد ،آخرساخن، واثنين ذات درجة حرارة متوسطة). يقوم رباعي النقاط بضخ الطاقة بشكل إلكترونات من الخزانين الساخن والبارد ونحو الخزانات ذات درجة الحرارة المتوسطة. عند ضبطه بشكل صحيح، يمكن الرباعي النقاط تبريد نقطة الكم المتصلة مع الخزان البارد إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الأصلية.

هذه التركيبة تتغلب على إحدى أكبر الصعوبات في تحقيق ثلاجات الكم المكتفية ذاتيا، والتي تهندس التفاعل بين الخزانات الساخنة، الباردة، وتلك ذات درجة الحرارة المتوسطة. تؤمن مصفوفة نقط الكم وسيلة بسيطة نسبيا لتحقيق هذا التفاعل الثلاثي الجسم الذي قد يكون من الممكن تجربة تحقيقه في المستقبل.

يقول “جيوفانيتتي: لموقع “Phys.org” :في الوقت الحاضر، ليس لدينا سوى اقتراح نظري يهدف إلى إثبات أن جهازا كهذا يمكن من حيث المبدأ تحقيقه مع التكنولوجيا الحالية”، ويضيف: “على كل حال ، لقد بدأنا الحديث مع التجريبيون من مختبر NEST في مدينة “بيزا”، لنرى مدى فعالية التمكن من تنفيذ هذا المخطط. ان الصعوبة الرئيسية في الوقت الحاضر تكمن في التدفق الحراري المنخفض الذي يمكننا انتاجه في النظام (حقاً ، حتى ولو كانت الكفاءة عالية من الناحية النظرية، فان التدفق الصافي الذي يقدر ان يتحمله الجهاز ما زال قليلا)، وذلك رغم وجود نسبة f/1 من الضوضاء أدخلتها اتصالات على النموذج.
“على الصعيد النظري، نحن حاليا نحاول تحسين أداء النظام عن طريق ادخال درجات إضافية من الحرية في التحاليل (مثلا، الجهد الكيميائي لخزانات الجهاز، والتي ببساطة كان يفترض أن تنحل فورا).

ان فهم كيفية عمل الديناميكا الحرارية على مستوى الكم يمكن ان يؤدي إلى القدرة على التحكم في النقل الحراري في الأجهزة النانوية، والتي يمكن أن تلعب دورا في طائفة واسعة من التطبيقات النانو إلكترونية في المستقبل.

الصورة :
يتكون “رباعي النقاط” المقترح من أربع نقاط كمومية يتم توصيلها بخفة مع أربعة خزانات حرارية. وقد أظهر العلماء نظريا أن “الرباعي النقاط” يمكنه ضخ الطاقة من الخزانات الساخنة والباردة لاثنين من الخزانات لها نفس درجة حرارة الغرفة، وبالتالي تبريد نقطة الكم الموصلة إلى الخزان البارد لجعله أكثر برودة من ذي قبل.
حقوق الصورة:فينتوريلي، و أل.. © 2013 الجمعية الفيزيائية الأمريكية.

ترجمة : إليو خوري

المصدر :
http://phys.org/news/2013-07-physicists-quantum-refrigerator-based-dots.html