量子纳米冰箱


我还记得小时候,一到三伏天,家里面就酷热难当,实在无法入睡,只得在屋外躺在凉席或者竹床上,数着星星睡觉。直到有一天,父母买了空调,我们才终 于摆脱了炎炎夏日,能舒服的睡觉了。夏日里最高的享受,莫过于在炎热的太阳底下吃一根冰棒了。有了冰箱后,家里可存储很多冰棒,想吃的时候随便吃。空调与 冰箱真是最伟大的发明,连爱因斯坦都发明过不用氟利昂的环保冰箱

前些年,纳米技术刚大行其道的时候,“纳米冰箱” 也被商家炒作过。其实那只不过用纳米技术改进了一下冰箱的材料,让它的内壁不容易滋生细菌什么的。最近,我们提出了一种纳米尺度的制冷机,如果能够实现, 那真的可以称之为纳米冰箱,因为它的整体尺寸只有几百纳米(约为头发丝宽度的千分之一)。想起来也很有意思,纳米冰箱、纳米洗衣机等商业炒作大行其道之时,我也曾 经私下里对此嗤之以鼻。现在自己居然也提出了一款新的纳米冰箱。回过头来看,只能说纳米冰箱这个概念确实吸引人,它激发了人们去思考最小的制冷机能做多小。

制冷原理

我们所提出的这款纳米冰箱,可以直接通过加热来制冷,这听起来很反直觉,对不对?其实并非如此。从基本原理上来说,空调和冰箱就是热 机,从低温区吸收热量,然后在高温区释放热量,所要付出的代价是外界要给它做功。这与发动机正好相反,发动机可以从高温区吸热,在低温区放热,同时把一部 分热能转换为机械能做功。我们设计这个制冷机是一个只有几百纳米长的金刚石机械振子,形状与跳水比赛中的踏板很像,如下图所示。

纳米制冷机

我们假定金刚石振子的尖端中有一个原子缺陷,叫做氮空位色心,可以发光。在色心下面放置两个磁头,产生很强的二阶梯度磁场,引发色心电子自旋与振动的耦合。 如果色心电子的能级差正好与振子中两个机械振动模式的频率差匹配时,我们发现,对低频的振子模式加热,会降低高频率模式的温度,多余的能量通过激光照射色 心发荧光来带走。低频模式的温度越高,冷却的效果越好。此时,对低频模式加热就等于是外界对它做功,而高频率模式的热量会被这个纳米热机带走,金刚石色心 起了制冷剂的作用,类似于普通冰箱中的氟利昂。随着低频率模温度进一步上升,高频模被冷却到量子基态都是有可能的。可见,这不仅是纳米冰箱,还是量子冰 箱。

这篇论文的第一作者是清华大学物理系大四本科生马越,合作者为中科大的黄璞博士与杜江峰院士,以及中科院武汉物理数学所的杨万里博士。马越同学已经拿到了英国帝国理工学院的录取通知书和奖学金,秋季将去那里念博士,祝她有广阔的前程!

参考文献:Yue Ma, Zhang-qi Yin*, Pu Huang, W. L. Yang, and Jiangfeng Du*, Cooling a Mechanical Resonator to Quantum Regime by heating it, arXiv:1603.05807

Advertisements

2 Comments

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

Connecting to %s