Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ισχυρούς μικροκινητήρες για να πραγματοποιήσουν τον κύκλο Otto στον κβαντικό κόσμο

Ένας κλασικός κινητήρας μετατρέπει έναν τύπο ενέργειας (όπως η θερμότητα) σε μηχανική εργασία. Μπορούν αυτοί οι νόμοι να εφαρμοστούν επίσης σε μια μικρομηχανή με μόνο ένα άτομο καισίου, βελτιώνοντας έτσι την αποδοτικότητα της εργασίας; Η ερευνητική ομάδα Technische Universität Kaiserslautern με επικεφαλής τον καθηγητή Φυσικής Δρ Άρθουρ Βίντλα παρείχε στοιχεία. Επιπλέον, με τη βοήθεια της κβαντικής εργαλειοθήκης, οι επιστήμονες είναι σε θέση να λειτουργούν σταθερά τις μηχανές, παρόλο που οι διακυμάνσεις είναι πανταχού παρούσες στον κβαντικό κόσμο.

Σχετική ερευνητική εργασία έχει πλέον δημοσιευθεί στο περιοδικό Nature Communications (& quot; A Quantum heat engine που οδηγείται από ατομικές συγκρούσεις").

Οι παραδοσιακοί κινητήρες ισχύος ακολουθούν τους νόμους της θερμοδυναμικής. Για παράδειγμα, όταν αναφλεγεί η βενζίνη, το έμβολο μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε κινητική. Η ερευνητική ομάδα του Widera', σε συνεργασία με τον καθηγητή Eric Lutz του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης, μετέφερε αυτές τις βασικές αρχές στον κβαντικό κόσμο και έλυσε τα βασικά προβλήματα της θερμοδυναμικής στην κβαντομηχανική.

Πώς δημιουργήθηκε όμως ένας τέτοιος κβαντικός κινητήρας; Οι ερευνητές επέλεξαν μια ειδική πειραματική συσκευή. Πρώτον, το αέριο των ατόμων του ρουβιδίου ψύχθηκε στο σχεδόν απόλυτο μηδέν για να ελαχιστοποιηθούν οι θερμικές διακυμάνσεις. Αυτή η μικροσκοπική μηχανή αποτελείται από ένα μόνο άτομο καισίου. Το καύσιμο που κινεί τη μηχανή είναι η γωνιακή ορμή των ατόμων ρουβιδίου, η οποία ονομάζεται περιστροφή. Όταν τα άτομα καισίου και ρουβιδίου συγκρούονται, ανταλλάσσουν θερμότητα και περιστρέφονται σε κβαντικό επίπεδο.

Ο πρώτος συγγραφέας και διδάκτορας της μελέτης Jens Nettersheim εξήγησε ότι η κατεύθυνση περιστροφής μπορεί να αλλάξει σε δύο κατευθύνσεις, πάνω ή κάτω. Στο σύστημά μας, αυτό αντιπροσωπεύει τη θερμότητα. Και κρύο, με αποτέλεσμα θερμική διαφορά. Όταν συμβαίνει η λεγόμενη σύγκρουση ανταλλαγής περιστροφής, οι κατευθύνσεις περιστροφής των συγκρουόμενων ατόμων καισίου και ρουβιδίου θα γέρνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία που δίνει το σύστημά μας, μπορούμε να ελέγξουμε την κατεύθυνση της αλλαγής περιστροφής σε κάθε σύγκρουση. Επιπλέον, αντικαταστήσαμε την κίνηση του εμβόλου που μετατρέπει την ενέργεια του συστήματος με ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Χρησιμοποιώντας αυτές τις αναλογίες για την ανταλλαγή θερμότητας και την κίνηση του εμβόλου, οι φυσικοί έχουν πραγματοποιήσει με επιτυχία τον κύκλο Otto του κβαντικού κόσμου.

Κατά τη διαδικασία, η ερευνητική ομάδα ξεπερνά μια πρόκληση που θεωρούνταν ανυπέρβλητη: οι ιδιότητες ή οι καταστάσεις των κβαντικών σωματιδίων δεν μπορούν συνήθως να προσδιοριστούν με σαφήνεια, εξήγησε ο Widera. Με άλλα λόγια, μπορούμε να τα μετρήσουμε, αλλά δεν μπορούμε ποτέ να προβλέψουμε με βεβαιότητα το αποτέλεσμα μιας μόνο μέτρησης. Μπορώ να προσδιορίσω μόνο την πιθανότητα εμφάνισης της παρατηρούμενης ιδιότητας. Είναι αυτό το" ασάφεια" ή διακύμανση των αποτελεσμάτων της μέτρησης που έχει οδηγήσει μέχρι τώρα την επιστημονική κοινότητα να αμφιβάλει για το αν η κβαντική θερμική μηχανή μπορεί να παρέχει αξιόπιστα σταθερή ισχύ υψηλής απόδοσης. Ο Widera είπε ότι θέλω να αποκλείσω ριζικά το ενδεχόμενο ο κινητήρας να κυμαίνεται ανεξέλεγκτα μεταξύ διαφορετικών επιπέδων ισχύος.

Σε συγκρούσεις ανταλλαγής περιστροφών, εμφανίζονται διακυμάνσεις, αλλά η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι με την πάροδο του χρόνου, οι περιστροφές των ατόμων καισίου κορεστούν. Με άλλα λόγια, θα παραμείνουν σε κατάσταση μετά από ένα χρονικό διάστημα, οπότε οι διακυμάνσεις μπορούν να ελεγχθούν. Σε σύγκριση με το" κλασικό" θερμική μηχανή, το άτομο φτάνει σε υψηλότερη κατάσταση διέγερσης σε αυτή τη διαδικασία. Αυτό είναι το κλειδί για την αποτελεσματική λειτουργία μιας μηχανής κβαντικής θερμότητας. Εκτός από τα πλεονεκτήματα της καταστολής των διακυμάνσεων, αυτή η κβαντική τεχνική επιτρέπει επίσης στην κβαντική μας μηχανή να μετατρέπει περισσότερη ενέργεια σε έναν κύκλο, η οποία είναι υψηλότερη από τη θερμοδυναμική ικανότητα μιας κβαντικής μηχανής που λειτουργεί σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες σε μια παραδοσιακή κλασική μηχανή.

Η μηχανή κβαντικής θερμότητας που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές απελευθερώνει συνεχή υψηλή ισχύ ενώ λειτουργεί σταθερά και η απόδοση είναι πολύ υψηλή. Η ερευνητική ομάδα του Widera', με τη θεωρητική υποστήριξη του καθηγητή Lutz, έφερε με επιτυχία τη θερμοδυναμική στο κβαντικό επίπεδο, ανοίγοντας περαιτέρω την πόρτα στην εφαρμογή της κβαντικής θερμοδυναμικής.