Исследователи реализуют квантовый тепловой двигатель в лаборатории

Так называемая квантовая технология опирается на микроскопические устройства, которые подчиняются законам квантовой механики.

Но сколько энергии понадобится новому типу устройств на практике? Сколько тепла будет производиться? Как работать в оптимальном состоянии, рассеивая минимум энергии?

Квантовый тепловой двигатель, работающий на максимальной мощности

На эти вопросы только начинают отвечать с помощью связи между квантовой информацией и неравновесной термодинамикой мезоскопических систем. Подобные вопросы изобиловали во время промышленной революции, в девятнадцатом веке. Ученые той эпохи осознали, что и тепло, и способность машин выполнять работу - это разные формы одной физической величины, энергии. Исследуя преобразование одной формы энергии в другую, они обнаружили законы классической термодинамики, которые оказали глубокое влияние в промышленность и полностью преобразовали современное общество.

Теоретическая концепция квантового теплового двигателя впервые была представлена ​​шестьдесят лет назад, когда Сковил и Шульц-Дюбуа в Bell Labs (США) провели аналогию между трехуровневыми мазерами и тепловыми машинами. С тех пор в научных журналах появилось много предложений о термодинамических циклах в квантовом масштабе, и лишь совсем недавно начали проводиться эксперименты.

В квантовом сценарии колебания энергии играют важную роль. Измерение таких колебаний в квантовых устройствах является сложной задачей во многих аспектах. Теперь об экспериментальной реализации квантового цикла Отто было сообщено в « Physical Review Letters» международной исследовательской группой с участием экспертов из Федерального университета ABC (Бразилия), Бразильского центра физических исследований (Бразилия), Университета Ватерлоо (Канада) и Сингапурского университета технологий и дизайна (Сингапур).

Ученые тщательно исследовали все энергетические колебания в работе и тепле, кроме необратимости в квантовом масштабе. Такой крошечный двигатель был сделан из ядерных спинов в молекуле, которая поглощает и выделяет энергию от радиоволн.

«Быстрая работа этой молекулярной машины производит переходы между состояниями спиновой энергии, которые связаны с тем, что ученые называют «квантовым трением», которое снижает производительность. Этот тип трения также связан с увеличением энтропии. С другой стороны, очень медленная работа (которая уменьшает квантовое трение) не даст значительного количества энергии», - отметил Джон Петерсон из Университета Ватерлоо.

Таким образом, лучший сценарий состоит в том, чтобы получить оптимальное количество энергии с низкими уровнями квантового трения или производства энтропии, аналогично тому, как это делает современная техника в автомобильных двигателях.

В новом эксперименте, крошечный двигатель достигает эффективности, близкой к его термодинамическому пределу при максимальной мощности, которая намного выше, чем та, что автомобильные двигатели могут дать в настоящее время.

«Механизм квантового вращения не будет очень полезен на практике, поскольку произведенная работа будет поставлять очень небольшое количество энергии для радиоволн. Этого было бы достаточно, чтобы изменить еще одно ядерное вращение. Исследовательская группа больше интересуется измерением того, сколько энергии она использует, сколько тепла она рассеивает и сколько энтропии вырабатывается во время работы. Другая цель - научиться в реальных экспериментах оптимизировать работу небольших квантовых тепловых машин и в конечном итоге создать более качественные квантовые холодильники для применений в квантовых технологиях», - объясняет Роберто Серра из Федерального университета ABC.

Техника, примененная в этом эксперименте, имеет большой потенциал для дальнейшего развития в новой квантовой термодинамике. опубликовано econet.ru по материалам nanowerk.com

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet