Nueva herramienta de medición para la búsqueda de materia oscura

Un equipo de investigadores han construido una bomba de calor a escala cuántica hecha con partículas de luz, un dispositivo que acerca a los científicos al límite cuántico de la medición de señales de radiofrecuencia, útil, por ejemplo, en la búsqueda de materia oscura, según publican en la revista Science Advances.

*La materia oscura, invisible al ojo humano, pero representada aquí en color azul – NASA/ESA – Archivo*

Los investigadores explica que, si se acercan dos objetos de diferente temperatura, como poner una botella de vino blanco caliente en una bolsa de frío, el calor suele fluir en una dirección, del caliente (el vino) al frío (la bolsa de frío) y al cabo de un tiempo ambos alcanzarán la misma temperatura, en un proceso conocido en física como alcanzar el equilibrio: un balance entre el flujo de calor en un sentido y en otro.

Pero los autores del estudio, físicos de la Universidad Técnica de Delft (TU Delft), en Países Bajos; la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zürich), en Suiza, y la Universidad de Tubinga, en Alemania, recuerdan que se puede romper este equilibrio y hacer que el calor fluya en el sentido «equivocado».

Este es el principio que se utiliza en el frigorífico para mantener los alimentos fríos, y en las bombas de calor eficientes que pueden robar el calor del aire frío del exterior para calentar la casa.

En su publicación, el investigador de la TU Delft Gary Steele y sus coautores demuestran un análogo cuántico de una bomba de calor, haciendo que las partículas cuánticas elementales de la luz, conocidas como fotones, se muevan «a contracorriente» de un objeto caliente a otro frío.

Aunque los investigadores ya habían utilizado su dispositivo como baño frío para fotones calientes de radiofrecuencia 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, al igual que ocurre con las señales de microondas amplificadas que salen de los procesadores cuánticos superconductores.

«Es muy emocionante, porque podemos acercarnos al límite cuántico de la medición de las señales de radiofrecuencia, frecuencias que son difíciles de medir de otro modo. Esta nueva herramienta de medición podría tener muchas aplicaciones, una de ellas la búsqueda de materia oscura«, afirma Steele.

El dispositivo, conocido como circuito de presión de fotones, está fabricado con inductores y condensadores superconductores en un chip de silicio enfriado a sólo unos milidegros por encima de la temperatura cero absoluta. Aunque esto parece muy frío, para algunos de los fotones del circuito, esta temperatura es muy caliente, y se excitan con energía térmica, explican los investigadores.

Utilizando la presión de los fotones, 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.

En este nuevo trabajo, los autores añaden un nuevo giro: al enviar una señal extra al circuito frío, son capaces de crear un motor que amplifica los fotones fríos y los calienta. 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 otra, creando una versión cuántica de la bomba de calor para fotones en un circuito superconductor.

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