Refrigeration of a 1D gas of microwave photons

Nel mondo della fisica quantistica, gli scienziati costruiscono spesso minuscoli circuiti fatti di metalli superconduttori per intrappolare e controllare la luce. Questi circuiti agiscono come laboratori in miniatura dove i fotoni, le particelle della luce, possono essere fatti interagire tra loro in modi impossibili in natura. Per studiare queste interazioni, i ricercatori hanno bisogno che la luce sia estremamente fredda, idealmente situata nel suo stato di energia più basso possibile. Di solito, ciò si ottiene posizionando l'intero circuito all'interno di un enorme frigorifero che raffredda tutto a una temperatura appena sopra lo zero assoluto. Tuttavia, questo metodo standard presenta un difetto significativo: man mano che il circuito si raffredda, la luce al suo interno semplicemente scompare. I fotoni svaniscono nel freddo, lasciando agli scienziati un sistema vuoto che non possono studiare. Questo crea un dilemma per chi cerca di simulare materiali quantistici complessi o testare nuove teorie, perché hanno bisogno di un sistema che sia sia freddo che pieno di luce.

Un team di ricercatori della Technical University of Munich ha proposto un modo ingegnoso per risolvere questo problema. Hanno progettato un metodo per raffreddare un flusso di fotoni a microonde senza costringerli a svanire. Invece di cercare di congelare l'intero sistema perdendo la luce, hanno progettato un meccanismo specifico che agisce come una strada a senso unico per l'energia. Collegando un'estremità della loro linea di trasmissione a un componente speciale e dissipativo, hanno creato un processo in cui i fotoni ad alta energia sono costretti a scendere verso livelli di energia inferiori. Mentre scendono, rilasciano la loro energia in eccesso in un canale di "scarto" separato che la dissipa rapidamente nell'ambiente. Fondamentalmente, questo processo non distrugge i fotoni; semplicemente li sposta verso uno stato più calmo, permettendo al gas di luce di raggiungere una temperatura molto inferiore a quella che il frigorifero stesso può fornire, mantenendo intatto il numero totale di fotoni.

I ricercatori hanno modellato questa configurazione utilizzando un lungo filo monodimensionale che supporta molte diverse frequenze di luce. A un'estremità, hanno collegato un dispositivo non lineare composto da anelli superconduttori, noto come elemento Josephson. Questo dispositivo era pilotato da un segnale esterno per creare un'interazione specifica in cui un fotone in un modo ad alta frequenza poteva spontaneamente convertirsi in un fotone in un modo a frequenza inferiore e in un terzo fotone nel canale di scarto. Il canale di scarto è stato progettato per essere molto "perdente", il che significa che avrebbe immediatamente scaricato qualsiasi energia ricevuta nell'ambiente circostante. Ciò ha creato un flusso continuo in cui i fotoni venivano costantemente spostati da un'energia alta a un'energia bassa, raffreddando efficacemente il gas. Il team ha scoperto che questo processo di raffreddamento ingegnerizzato compete con la tendenza naturale del sistema a riscaldarsi e perdere fotoni nell'ambiente. Bilanciando attentamente queste due forze, hanno previsto uno stato stazionario in cui la luce rimane nel sistema ma si assesta a una temperatura molto più fredda di quella del frigorifero che ospita il dispositivo.

Una delle scoperte più sorprendenti della loro analisi è come questo raffreddamento cambi il comportamento della luce in un modo che sfida la fisica standard. In un normale sistema in equilibrio, raffreddare un gas monodimensionale di luce di solito causa solo la scomparsa dei fotoni. Ma in questo scenario ingegnerizzato, l'energia totale del sistema è vincolata alla temperatura dell'ambiente, mentre il numero di fotoni è preservato dal meccanismo di raffreddamento. Questa discrepanza costringe il sistema a comportarsi diversamente: man mano che la luce si raffredda, il numero totale di fotoni aumenta effettivamente per compensare la minore energia per particella. I ricercatori hanno calcolato che, per configurazioni sperimentali realistiche, ciò potrebbe consentire di preparare un gas di centinaia di fotoni a microonde a temperature così basse come pochi decimi di millikelvin. Questa è una temperatura significativamente più fredda della temperatura di base dei frigoriferi a diluizione tipicamente utilizzati in questi esperimenti, che solitamente si aggira intorno ai venti millikelvin.

Lo studio ha anche rivelato un nuovo tipo di transizione di fase, un cambiamento improvviso nello stato del sistema che non avviene in un ordinario equilibrio. Man mano che il raffreddamento diventa più efficace, i fotoni iniziano ad accumularsi nel livello di energia più basso possibile, formando un condensato. In un sistema monodimensionale standard, un tale accumulo non è previsto affatto. Tuttavia, poiché il setup dei ricercatori preserva il numero di fotoni mentre abbassa l'energia, il sistema è costretto in questo stato condensato. Il team ha utilizzato simulazioni al computer per dimostrare che questa transizione è netta e distinta, con la maggior parte dei fotoni che si raduna nello stato fondamentale mentre i modi a energia più alta rimangono relativamente vuoti. Questo comportamento imita la formazione di un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia in cui le particelle agiscono come un'unica entità quantistica, ma accade in condizioni che sono impossibili da raggiungere con il solo raffreddamento passivo.

Per garantire che le loro idee non fossero solo teoriche, i ricercatori hanno delineato i dettagli specifici del circuito necessari per costruire questo dispositivo. Hanno descritto come utilizzare un tipo specifico di anello superconduttore, chiamato SNAIL, per creare l'interazione non lineare necessaria. Applicando un flusso magnetico esterno accuratamente temporizzato a questo anello, avrebbero potuto sintonizzare l'interazione per risuonare con le specifiche differenze di frequenza tra i modi di luce. I loro calcoli hanno dimostrato che, anche con le imperfezioni e il rumore previsti in un vero laboratorio, il sistema rimarrebbe stabile. Hanno notato che, sebbene gli effetti residui derivanti dai materiali del circuito possano limitarne le prestazioni, il meccanismo centrale è abbastanza robusto da poter essere dimostrato con la tecnologia attuale. Il lavoro suggerisce che questo approccio potrebbe essere un potente strumento per la simulazione quantistica, permettendo agli scienziati di studiare sistemi complessi a molti corpi con la luce in un regime precedentemente inaccessibile.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre il semplice raffreddamento della luce. Dimostrando che è possibile ingegnerizzare un serbatoio che raffredda un sistema senza cambiare il numero di particelle, i ricercatori hanno aperto una nuova strada per il controllo degli stati quantistici. Ciò potrebbe consentire la creazione di stati della materia stabili e freddi, necessari per testare le teorie della gravità quantistica o per simulare materiali esotici. La capacità di raggiungere temperature sub-millikelvin per un gas di fotoni, mantenendo un'alta densità di particelle, risolve un collo di bottiglia di lunga data nel campo. I ricercatori sottolineano che, sebbene i loro risultati siano attualmente basati su modelli teorici dettagliati e simulazioni, i componenti necessari per costruire un tale dispositivo sono già disponibili nei moderni circuiti superconduttori. Ciò rende la transizione dalla teoria all'esperimento una questione di ingegneria piuttosto che la necessità di una nuova fisica, offrendo una via chiara e realizzabile per far avanzare le tecnologie quantistiche.