量子納米冰箱

• 5月更新：我們3月份在arXiv上發表這個理論方案。短短兩個月，已經有國外一流的實驗與理論組各自正面引用了它。我們的工作已經初步得到了同行的認可。

我還記得小時候，一到三伏天，家裡面就酷熱難當，實在無法入睡，只得在屋外躺在涼席或者竹床上，數著星星睡覺。直到有一天，父母買了空調，我們才終於擺脫了炎炎夏日，能舒服的睡覺了。夏日裡最高的享受，莫過於在炎熱的太陽底下吃一根冰棒了。有了冰箱後，家裡可存儲很多冰棒，想吃的時候隨便吃。空調與冰箱真是最偉大的發明，連愛因斯坦都發明過不用氟利昂的環保冰箱。

前些年，納米技術剛大行其道的時候，「納米冰箱」也被商家炒作過。其實那隻不過用納米技術改進了一下冰箱的材料，讓它的內壁不容易滋生細菌什麼的。最近，我們提出了一種納米尺度的制冷機，如果能夠實現，那真的可以稱之為納米冰箱，因為它的整體尺寸只有幾百納米（約為頭髮絲寬度的千分之一）。想起來也很有意思，納米冰箱、納米洗衣機等商業炒作大行其道之時，我也曾經私下裡對此嗤之以鼻。現在自己居然也提出了一款新的納米冰箱。回過頭來看，只能說納米冰箱這個概念確實吸引人，它激發了人們去思考最小的制冷機能做多小。

我們所提出的這款納米冰箱，可以直接通過加熱來製冷，這聽起來很反直覺，對不對？其實並非如此。從基本原理上來說，空調和冰箱就是熱機，從低溫區吸收熱量，然後在高溫區釋放熱量，所要付出的代價是外界要給它做功。這與發動機正好相反，發動機可以從高溫區吸熱，在低溫區放熱，同時把一部分熱能轉換為機械能做功。我們設計這個制冷機是一個只有幾百納米長的金剛石機械振子，形狀與跳水比賽中的踏板很像，如下圖所示。

我們假定金剛石振子放置在低溫真空的環境中，它的尖端中有一個原子缺陷，叫做氮空位色心，可以發光。在色心下面放置兩個磁頭，產生很強的二階梯度磁場，引發色心電子自旋與振動的耦合。如果色心電子的能級差正好與振子中兩個機械振動模式的頻率差匹配時，我們發現，對低頻的振子模式加熱，會降低高頻率模式的溫度，多餘的能量通過激光照射色心發熒光來帶走。低頻模式的溫度越高，冷卻的效果越好。此時，對低頻模式加熱就等於是外界對它做功，而高頻率模式的熱量會被這個納米熱機帶走，金剛石色心起了製冷劑的作用，類似於普通冰箱中的氟利昂。隨著低頻率模溫度進一步上升，高頻模被冷卻到量子基態都是有可能的。可見，它不僅是納米冰箱，還是量子冰箱。

這篇論文的第一作者是清華大學物理系大四本科生馬越，合作者為中科大的黃璞博士與杜江峰院士，以及中科院武漢物理數學所的楊萬里博士。馬越同學已經拿到了英國帝國理工學院的錄取通知書和獎學金，秋季將去那裡念博士，祝她有廣闊的前程！

參考文獻：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

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