論文の概要: Quantum cooling below absolute zero

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.22791v1
• Date: Wed, 28 May 2025 19:03:30 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-30 18:14:07.49326
• Title: Quantum cooling below absolute zero
• Title（参考訳）: 絶対零以下での量子冷却
• Authors: Francesco Libbi, Lorenzo Monacelli, Boris Kozinsky,
• Abstract要約: SrTiO$_3$は、温度が低下した強誘電体モードの顕著な軟化を示す。 ハイゼンベルクの量子不確実性原理は、原子が強誘電体極小の中で局在することを防ぐ。 共鳴中赤外パルスでは、量子ゆらぎが抑制され、0K基底状態以下の物質を効果的に冷却する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Similar to other perovskites in its family, SrTiO$_3$ exhibits a significant softening of the ferroelectric mode with decreasing temperature, a behavior that typically heralds the onset of a ferroelectric transition. However, this material remains paraelectric down to 0K due to the Heisenberg quantum uncertainty principle that prevents atoms from localizing in the ferroelectric minima, a fundamental limit that appears impossible to overcome. This work shows that in the strong out-of-equilibrium regime induced by resonant mid-IR pulses, quantum fluctuations can be suppressed, effectively cooling the material below the 0K ground state and inducing a ferroelectric transition in SrTiO$_3$ that is otherwise impossible. The appearance of a metastable state, that is distinct from the conventional ground state, is the first demonstration of how it is possible to leverage and control quantum fluctuations with pulsed light to qualitatively alter the free energy landscape of a quantum system. We predict the conditions and system parameter under which induced non-equilibrium state can be long-lived and even permanent. In providing a quantitative description, based on first principles machine learned potential energy surface, we explain recent experimental observations of light-induced ferroelectric transition in this material.
• Abstract（参考訳）: 他のペロブスカイトと同様に、SrTiO$_3$は、強誘電体の遷移の開始を典型的に予測する、温度の低下を伴う強誘電体のモードの顕著な軟化を示す。 しかし、この物質は、強誘電体ミニマにおいて原子が局在することを防ぐハイゼンベルクの量子不確実性原理により、0Kまでパラ誘電性のままである。 この研究は、共鳴中赤外パルスによって引き起こされる強い平衡状態において、量子揺らぎを抑えることができ、0K基底状態以下の物質を効果的に冷却し、そうでなければSrTiO$_3$の強誘電性遷移を引き起こす。 従来の基底状態と異なる準安定状態の出現は、量子系の自由エネルギーの風景を質的に変化させるためにパルス光で量子ゆらぎを活用・制御できる最初の実証である。 我々は、誘導された非平衡状態が長寿命かつ永続的な状態となる条件とシステムパラメータを予測する。 第一原理学習型ポテンシャルエネルギー表面に基づく定量的な説明を行うにあたって,本物質における光誘起強誘電性遷移の最近の実験的観察について説明する。

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