Naukowcy opracowali potężne mikroruchy, aby zrealizować cykl Otto w świecie kwantowym

Klasyczny silnik przekształca rodzaj energii (takiej jak ciepło) w pracę mechaniczną. Czy te prawa można również zastosować do mikromaszeli z tylko jednym atomem cezu, poprawiając w ten sposób wydajność pracy? Zespół badawczy Technische Universität Kaiserslautern kierowany przez profesora fizyki dr Arthura Widlę dostarczył dowodów. Ponadto, za pomocą zestawu narzędzi kwantowych, naukowcy są w stanie stabilnie uruchamiać maszyny, mimo że fluktuacje są wszechobecne w świecie kwantowym.

Powiązane prace badawcze zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications ("Kwantowy silnik cieplny napędzany zderzeniami atomowymi").

Tradycyjne silniki mocy są zgodne z prawami termodynamiki. Na przykład, gdy benzyna jest zapalona, tłok przekształca energię cieplną w energię kinetyczną. Zespół badawczy Widera, we współpracy z profesorem Erikiem Lutzem z Uniwersytetu w Stuttgarcie, przeniósł te podstawowe zasady do świata kwantowego i rozwiązał podstawowe problemy termodynamiki w mechanice kwantowej.

Ale jak w pierwszej kolejności zbudowano taki silnik kwantowy? Naukowcy wybrali specjalne urządzenie eksperymentalne. Po pierwsze, gaz atomów rubidu został schłodzony do prawie zera absolutnego, aby zminimalizować fluktuacje termiczne. Ta maleńka maszyna składa się z pojedynczego atomu cezu. Paliwem napędzanym maszynę jest moment pędu atomów rubidu, który nazywa się spinem. Kiedy atomy cezu i rubidu zderzają się, wymieniają ciepło i wirują na poziomie kwantowym.

Pierwszy autor badania i doktorant Jens Nettersheim wyjaśnił, że kierunek wirowania można zmieniać w dwóch kierunkach, w górę lub w dół. W naszym systemie reprezentuje to ciepło. I zimno, powodujące różnicę termiczną. Kiedy dojdzie do tak zwanego zderzenia wymiany spinowej, kierunki spinu zderzających się atomów cezu i rubidu przechylą się w przeciwnych kierunkach. W ultra-niskiej temperaturze podanej przez nasz system możemy kontrolować kierunek zmiany spinu w każdym zderzeniu. Dodatkowo zastąpiliśmy ruch tłoka, który przekształca energię układu w zmieniające się pole magnetyczne. Wykorzystując te analogie do wymiany ciepła i ruchu tłoka, fizycy z powodzeniem zrealizowali cykl Otto w świecie kwantowym.

W tym procesie zespół badawczy pokonuje wyzwanie, które wcześniej uważano za nie do pokonania: właściwości lub stany cząstek kwantowych zwykle nie mogą być jasno określone, wyjaśnił Widera. Innymi słowy, możemy je zmierzyć, ale nigdy nie możemy przewidzieć z całą pewnością wyniku pojedynczego pomiaru. Mogę jedynie określić prawdopodobieństwo wystąpienia obserwowanej właściwości. To właśnie ta "niejednoznaczność" lub fluktuacja wyników pomiarów doprowadziła do tego, że społeczność naukowa wątpiła, czy kwantowy silnik cieplny może niezawodnie zapewnić wysoką wydajność stałej mocy. Widera powiedział, że chcę zasadniczo wykluczyć możliwość niekontrolowanego wahania silnika między różnymi poziomami mocy.

W zderzeniach wymiany spinowej występują fluktuacje, ale zespół badawczy odkrył, że z czasem spiny atomów cezu nasycają się. Innymi słowy, pozostaną w stanie po pewnym czasie, więc fluktuacje mogą być kontrolowane. W porównaniu z "klasycznym" silnikiem cieplnym, atom osiąga wyższy stan wzbudzony w tym procesie. Jest to klucz do sprawnego działania kwantowego silnika cieplnego. Oprócz zalet tłumienia fluktuacji, ta technika kwantowa pozwala również naszej maszynie kwantowej przekształcać więcej energii w jednym cyklu, co jest wyższe niż zdolność termodynamiczna maszyny kwantowej działającej w dwóch różnych temperaturach w tradycyjnej klasycznej maszynie.

Kwantowy silnik cieplny opracowany przez naukowców uwalnia ciągłą wysoką moc podczas stabilnej pracy, a wydajność jest bardzo wysoka. Zespół badawczy Widera, przy teoretycznym wsparciu profesora Lutza, z powodzeniem wprowadził termodynamikę na poziom kwantowy, otwierając drzwi do zastosowania termodynamiki kwantowej.