Istraživači su razvili moćne mikromotore za realizaciju Otovog ciklusa u kvantnom svijetu

Klasični motor pretvara vrstu energije (poput topline) u mehanički rad. Mogu li se ovi zakoni primijeniti i na mikro mašinu sa samo jednim atomom cezija, čime se poboljšava efikasnost rada? Istraživački tim Technische Universität Kaiserslautern predvođen profesorom fizike dr. Arthurom Widlom pružio je dokaze. Uz to, uz pomoć kvantnog alata, naučnici mogu stabilno upravljati mašinama, iako su fluktuacije sveprisutne u kvantnom svijetu.

Povezani istraživački rad sada je objavljen u časopisu Nature Communications (& quot; Kvantna toplotna mašina pokrenuta atomskim sudarima").

Tradicionalni motori slijede zakone termodinamike. Na primjer, pri paljenju benzina klip pretvara toplinsku energiju u kinetičku. Widera&istraživački tim, u saradnji sa profesorom Ericom Lutzom sa Univerziteta u Stuttgartu, prenio je ove osnovne principe u kvantni svijet i riješio osnovne probleme termodinamike u kvantnoj mehanici.

Ali kako je uopće izgrađen takav kvantni motor? Istraživači su odabrali poseban eksperimentalni uređaj. Prvo se plin atoma rubidija ohladio gotovo do apsolutne nule kako bi se minimizirale toplinske fluktuacije. Ova sićušna mašina sastoji se od jednog atoma cezijuma. Gorivo koje pokreće mašinu je kutni moment atoma rubidija, koji se naziva spin. Prilikom sudara atoma cezija i rubidija razmjenjuju toplinu i vrte se na kvantnom nivou.

Prvi autor studije i doktorand Jens Nettersheim objasnio je da se smjer okretanja može promijeniti u dva smjera, gore ili dolje. U našem sistemu ovo predstavlja toplinu. I hladno, što rezultira toplinskom razlikom. Kada dođe do takozvanog sudara izmjene spina, smjerovi okretanja sudarajućih atoma cezija i rubidija će se nagnuti u suprotnim smjerovima. Na ultra-niskoj temperaturi koju daje naš sistem, možemo kontrolirati smjer promjene vrtnje pri svakom sudaru. Osim toga, kretanje klipa koje pretvara energiju sistema zamijenili smo promjenjivim magnetskim poljem. Koristeći ove analogije za izmjenu topline i kretanje klipa, fizičari su uspješno realizirali Ottoov ciklus kvantnog svijeta.

U tom procesu, istraživački tim savladava izazov koji se ranije smatrao nepremostivim: svojstva ili stanja kvantnih čestica obično se ne mogu jasno odrediti, objasnio je Widera. Drugim riječima, možemo ih mjeriti, ali nikada ne možemo sa sigurnošću predvidjeti ishod jednog mjerenja. Mogu samo utvrditi vjerovatnoću pojavljivanja posmatrane imovine. To je ova" dvosmislenost" ili fluktuacija rezultata mjerenja koja je do sada dovela naučnu zajednicu u sumnju može li kvantna toplinska mašina pouzdano osigurati visoku efikasnost konstantne snage. Widera je rekao da želim u osnovi isključiti mogućnost da motor nekontrolirano fluktuira naprijed -natrag između različitih nivoa snage.

U sudarima sa izmjenom spina dolazi do fluktuacija, ali istraživački tim je otkrio da se s vremenom spinovi atoma cezija zasićuju. Drugim riječima, oni će ostati u stanju nakon nekog vremena, pa se fluktuacije mogu kontrolirati. U poređenju sa &; klasičnim &; toplinski motor, atom u tom procesu dostiže više uzbuđeno stanje. Ovo je ključ za učinkovit rad kvantnog toplinskog motora. Osim prednosti suzbijanja fluktuacija, ova kvantna tehnika također omogućava našoj kvantnoj mašini da pretvori više energije u jednom ciklusu, što je više od termodinamičke sposobnosti kvantne mašine koja radi na dvije različite temperature u tradicionalnoj klasičnoj mašini.

Kvantni toplinski motor koji su razvili istraživači oslobađa kontinuirano veliku snagu dok stabilno radi, a efikasnost je vrlo velika. Widera&istraživački tim, uz teorijsku podršku profesora Lutza, uspješno je doveo termodinamiku na kvantni nivo, što je dodatno otvorilo vrata primjeni kvantne termodinamike.