Vědci vyvinuli výkonné mikro motory k realizaci Ottova cyklu v kvantovém světě

Klasický motor převádí typ energie (například teplo) na mechanickou práci. Mohou být tyto zákony aplikovány také na mikroprocesor s jediným atomem cesia, a tím zlepšit efektivitu práce? Důkaz poskytl výzkumný tým Technische Universität Kaiserslautern pod vedením profesora fyziky Dr. Arthura Widla. Kromě toho jsou vědci pomocí kvantové sady nástrojů schopni stabilně provozovat stroje, i když v kvantovém světě jsou výkyvy všudypřítomné.

Související výzkumná práce byla nyní publikována v časopise Nature Communications (& "; Kvantový tepelný motor poháněný atomovými srážkami &".

Tradiční energetické motory se řídí zákony termodynamiky. Například při zapálení benzínu píst přemění tepelnou energii na kinetickou energii. Výzkumný tým Widera' ve spolupráci s profesorem Ericem Lutzem z univerzity ve Stuttgartu přenesl tyto základní principy do kvantového světa a vyřešil základní problémy termodynamiky v kvantové mechanice.

Jak byl ale vůbec takový kvantový motor postaven? Vědci vybrali speciální experimentální zařízení. Nejprve byl plyn atomů rubidia ochlazen na téměř absolutní nulu, aby se minimalizovaly tepelné výkyvy. Tento malý stroj se skládá z jednoho atomu cesia. Palivem, které pohání stroj, je moment hybnosti atomů rubidia, kterému se říká spin. Při srážce atomů cesia a rubidia si vyměňují teplo a točí se na kvantové úrovni.

První autor studie a doktorand Jens Nettersheim vysvětlil, že směr otáčení lze změnit ve dvou směrech, nahoru nebo dolů. V našem systému to představuje teplo. A za studena, což má za následek teplotní rozdíl. Když dojde k takzvané kolizi výměny spinu, směry rotace kolidujících atomů cesia a rubidia se nakloní v opačných směrech. Při extrémně nízké teplotě dané naším systémem můžeme při každé kolizi řídit směr změny rotace. Kromě toho jsme pohyb pístu, který převádí energii systému, nahradili měnícím se magnetickým polem. Pomocí těchto analogií pro výměnu tepla a pohyb pístu fyzikové úspěšně realizovali Ottův cyklus kvantového světa.

V tomto procesu výzkumný tým překonává výzvu, která byla dříve považována za nepřekonatelnou: vlastnosti nebo stavy kvantových částic obvykle nelze jasně určit, vysvětlil Widera. Jinými slovy, můžeme je změřit, ale nikdy nemůžeme s jistotou předpovědět výsledek jednoho měření. Mohu pouze určit pravděpodobnost výskytu pozorované vlastnosti. Je to tato" nejednoznačnost" nebo kolísání výsledků měření, které dosud vedlo vědeckou komunitu k pochybnostem, zda kvantový tepelný motor může spolehlivě poskytovat vysoce účinný konstantní výkon. Widera řekl, že chci zásadně vyloučit možnost nekontrolovatelného kolísání motoru tam a zpět mezi různými úrovněmi výkonu.

Při kolizích s výměnou spinu dochází ke kolísání, ale výzkumný tým zjistil, že v průběhu času se spiny atomů cesia nasytí. Jinými slovy, zůstanou ve stavu po určité době, takže fluktuace lze ovládat. Ve srovnání s&"klasickým &"; tepelný motor, dosáhne atom v tomto procesu vyššího excitovaného stavu. To je klíč k efektivnímu provozu kvantového tepelného motoru. Kromě výhod potlačení fluktuací umožňuje tato kvantová technika také našemu kvantovému stroji převést více energie v jednom cyklu, což je vyšší než termodynamická schopnost kvantového stroje běžícího při dvou různých teplotách v tradičním klasickém stroji.

Kvantový tepelný motor vyvinutý vědci vydává nepřetržitě vysoký výkon při stabilním provozu a účinnost je velmi vysoká. Výzkumný tým Widera' s teoretickou podporou profesora Lutze úspěšně přenesl termodynamiku na kvantovou úroveň, což dále otevřelo dveře aplikaci kvantové termodynamiky.