Refrigeration of a 1D gas of microwave photons

In de wereld van de kwantumfysica bouwen wetenschappers vaak minuscule circuits uit supergeleidende metalen om licht te vangen en te beheersen. Deze circuits fungeren als miniatuurlaboratoria waar fotonen, de deeltjes licht, op manieren met elkaar kunnen interageren die onmogelijk zijn in de natuur. Om deze interacties te bestuderen, hebben onderzoekers nodig dat het licht extreem koud is, bij voorkeur rustend in zijn laagst mogelijke energietoestand. Meestal wordt dit bereikt door het hele circuit in een enorme koelkast te plaatsen die alles afkoelt tot een temperatuur net boven het absolute nulpunt. Deze standaardmethode heeft echter een aanzienlijk gebrek: naarmate het circuit kouder wordt, verdwijnt het licht binnenin simpelweg. De fotonen verdwijnen in de kou, waardoor de wetenschappers achterblijven met een leeg systeem dat ze niet kunnen bestuderen. Dit creëert een dilemma voor degenen die complexe kwantummaterialen willen simuleren of nieuwe theorieën willen testen, omdat ze een systeem nodig hebben dat zowel koud als vol licht is.

Een team van onderzoekers aan de Technische Universiteit van München heeft een slimme manier voorgesteld om dit probleem op te lossen. Ze ontwierpen een methode om een stroom microgolffotonen af te koelen zonder ze te laten verdwijnen. In plaats van te proberen het hele systeem te bevriezen en zo het licht te verliezen, hebben ze een specifiek mechanisme ontworpen dat werkt als een eenrichtingsweg voor energie. Door één uiteinde van hun transmissielijn te verbinden met een speciaal, verlieslatend onderdeel, creëerden ze een proces waarbij fotonen met een hoge energie gedwongen worden om naar lagere energieniveaus af te dalen. Terwijl ze dalen, laten ze hun overtollige energie vrij in een apart "afvalkanaal" dat deze energie snel afvoert naar de omgeving. Cruciaal is dat dit proces de fotonen niet vernietigt; het verplaatst ze simpelweg naar een rustigere toestand, waardoor het gas van licht een temperatuur kan bereiken die veel lager ligt dan die van de koelkast zelf, terwijl het totale aantal fotonen intact blijft.

De onderzoekers modelleerden deze opstelling met behulp van een lange, eendimensionale draad die vele verschillende frequenties van licht ondersteunt. Aan één uiteinde bevestigden ze een niet-lineeel apparaat gemaakt van supergeleidende lussen, bekend als een Josephson-element. Dit apparaat werd aangestuurd door een extern signaal om een specifieke interactie te creëren waarbij een foton in een hoogfrequente modus spontaan kan converteren naar een foton in een lagerfrequente modus en een derde foton in het afvalkanaal. Het afvalkanaal werd zo ontworpen dat het zeer lek is, wat betekent dat het elke ontvangen energie onmiddellijk in de omgeving dumpt. Dit creëerde een continue stroom waarbij fotonen constant van hoge naar lage energie werden verschoven, wat het gas effectief afkoelde. Het team stelde vast dat dit ontworde koelproces concurreert met de natuurlijke neiging van het systeem om op te warmen en fotonen aan de omgeving te verliezen. Door deze twee krachten zorgvuldig in evenwicht te brengen, voorspelden zij een stabiele toestand waarin het licht in het systeem blijft, maar een veel koudere temperatuur bereikt dan de koelkast die het apparaat bevat.

Een van de meest verrassende bevindingen in hun analyse is hoe deze koeling het gedrag van het licht verandert op een manier die de standaardfysica tart. In een normaal, evenwichtig systeem zorgt het koelen van een eendimensionaal gas van licht er meestal alleen voor dat de fotonen verdwijnen. Maar in dit ontworpen scenario is de totale energie van het systeem gekoppeld aan de temperatuur van de omgeving, terwijl het aantal fotonen wordt behouden door het koelmechanisme. Deze mismatch dwingt het systeem om anders te reageren: naarmate het licht afkoelt, neemt het totale aantal fotonen juist toe om de lagere energie per deeltje te compenseren. De onderzoekers berekenden dat dit voor realistische experimentele instellingen een temperatuur van slechts enkele tienden van een millikelvin kan bereiken voor een gas van honderden microgolffotonen. Dit is aanzienlijk kouder dan de basistemperatuur van de verdunningskoelkasten die gewoonlijk in deze experimenten worden gebruikt, die meestal rond de twintig millikelvin liggen.

De studie onthulde ook een nieuw type faseovergang, een plotselinge verandering in de staat van het systeem die niet voorkomt in een gewoon evenwicht. Naarmate de koeling effectiever wordt, beginnen de fotonen zich op te stapelen in de laagst mogelijke energietoestand, waardoor een condensaat vormt. In een standaard eendimensionaal systeem wordt een dergelijke ophoping helemaal niet verwacht. Echter, omdat de opstelling van de onderzoekers het aantal fotonen behoudt terwijl de energie wordt verlaagd, wordt het systeem gedwongen in deze gecondenseerde toestand. Het team gebruikte computersimulaties om aan te tonen dat deze overgang scherp en duidelijk is, waarbij de meerderheid van de fotonen zich verzamelt in de grondtoestand terwijl de hogere energiemodi relatief leeg blijven. Dit gedrag bootst de vorming van een Bose-Einsteincondensaat na, een staat van materie waarin deeltjes als één enkel kwantumobject optreden, maar dit vindt plaats onder omstandigheden die onmogelijk zijn met passieve koeling alleen.

Om te waarborgen dat hun ideeën niet slechts theoretisch waren, hebben de onderzoekers de specifieke circuitdetails uitgewerkt die nodig zijn om dit apparaat te bouwen. Ze beschreven hoe ze een specifiek type supergeleidende lus, een zogenaamde SNAIL, kunnen gebruiken om de benodigde niet-lineaire interactie te creëren. Door een zorgvuldig getimede externe magnetische flux op deze lus toe te passen, kunnen ze de interactie afstemmen op de specifieke frequentieverschillen tussen de lichtmodi. Hun berekeningen toonden aan dat het systeem stabiel blijft, zelfs met de imperfecties en ruis die in een echt laboratorium worden verwacht. Ze merkten op dat hoewel residuele effecten van de circuitmaterialen de prestaties kunnen beperken, de kern van het mechanisme robuust genoeg is om met de huidige technologie gedemonstreerd te worden. Het werk suggereert dat deze aanpak een krachtig hulpmiddel kan zijn voor kwantumsimulatie, waardoor wetenschappers complexe many-body systemen met licht kunnen bestuderen in een regime dat voorheen onbereikbaar was.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het koelen van licht. Door aan te tonen dat het mogelijk is om een reservoir te ontwerpen dat een systeem koelt zonder het aantal deeltjes te veranderen, hebben de onderzoekers een nieuwe weg geopend voor het beheersen van kwantumtoestanden. Dit zou de creatie van stabiele, koude toestanden van materie kunnen mogelijk maken die nodig zijn voor het testen van theorieën over kwantumgravitatie of het simuleren van exotische materialen. Het vermogen om sub-millikelvin temperaturen voor een gas van fotonen te bereiken, terwijl een hoge dichtheid van deeltjes behouden blijft, lost een langlopende bottleneck in het vakgebied op. De onderzoekers benadrukken dat hoewel hun resultaten momenteel gebaseerd zijn op gedetailleerde theoretische modellen en simulaties, de componenten die nodig zijn om een dergelijk apparaat te bouwen al beschikbaar zijn in moderne supergeleidende circuits. Dit maakt de overgang van theorie naar experiment een kwestie van engineering in plaats van een behoefte aan nieuwe fysica, wat een duidelijke en haalbare weg biedt voor de vooruitgang van kwantumtechnologieën.