Mokslininkai sukūrė galingus mikro variklius, kad suprastų Otto ciklą kvantiniame pasaulyje

Klasikinis variklis tam tikrą energiją (pvz., Šilumą) paverčia mechaniniu darbu. Ar šie įstatymai taip pat gali būti taikomi mikro mašinai, turinčiai tik vieną cezio atomą, taip pagerinant darbo efektyvumą? Technische Universität Kaiserslautern tyrimų grupė, vadovaujama fizikos profesoriaus daktaro Arthuro Widlos, pateikė įrodymų. Be to, naudodamiesi kvantinių įrankių rinkiniu, mokslininkai gali stabiliai valdyti mašinas, nors svyravimai kvantiniame pasaulyje yra visur.

Susijęs mokslinis darbas dabar paskelbtas žurnale „Nature Communications“ (&); Kvantinis šilumos variklis, varomas atominių susidūrimų&“).

Tradiciniai varikliai laikosi termodinamikos dėsnių. Pavyzdžiui, uždegus benziną, stūmoklis šilumos energiją paverčia kinetine energija. Widera&tyrimų grupė, bendradarbiaudama su profesoriumi Ericu Lutzu iš Štutgarto universiteto, perkėlė šiuos pagrindinius principus į kvantinį pasaulį ir išsprendė pagrindines kvantinės mechanikos termodinamikos problemas.

Bet kaip buvo sukurtas toks kvantinis variklis? Mokslininkai pasirinko specialų eksperimentinį prietaisą. Pirma, rubidžio atomų dujos buvo atšaldytos iki beveik absoliutaus nulio, kad būtų sumažinti terminiai svyravimai. Ši maža mašina sudaryta iš vieno cezio atomo. Mašiną varantis kuras yra rubidžio atomų kampinis impulsas, vadinamas sukimu. Kai cezio ir rubidžio atomai susiduria, jie keičiasi šiluma ir sukasi kvantiniu lygiu.

Pirmasis tyrimo autorius ir doktorantas Jensas Nettersheimas paaiškino, kad sukimosi kryptį galima keisti dviem kryptimis - aukštyn arba žemyn. Mūsų sistemoje tai reiškia šilumą. Ir šalta, dėl to atsiranda šilumos skirtumas. Kai įvyksta vadinamasis sukimosi mainų susidūrimas, susidūrusių cezio ir rubidžio atomų sukimosi kryptys pakryps priešingomis kryptimis. Esant itin žemai temperatūrai, kurią suteikia mūsų sistema, mes galime kontroliuoti sukimosi pasikeitimo kryptį kiekvieno susidūrimo metu. Be to, mes pakeitėme stūmoklio judesį, kuris paverčia sistemos energiją kintančiu magnetiniu lauku. Naudodamiesi šiomis šilumos mainų ir stūmoklio judėjimo analogijomis, fizikai sėkmingai suprato kvantinio pasaulio Otto ciklą.

Šiame procese tyrimų grupė įveikia iššūkį, kuris anksčiau buvo laikomas neįveikiamu: kvantinių dalelių savybės ar būsenos paprastai negali būti aiškiai nustatytos, paaiškino Widera. Kitaip tariant, mes galime juos išmatuoti, tačiau niekada negalime tiksliai nuspėti vieno matavimo rezultatų. Galiu nustatyti tik stebimos savybės atsiradimo tikimybę. Būtent šis&"dviprasmiškumas [GG" "; arba matavimo rezultatų svyravimai, dėl kurių mokslo bendruomenė iki šiol privertė abejoti, ar kvantinio šilumos variklis gali patikimai užtikrinti didelio efektyvumo pastovią galią. Widera sakė, kad noriu iš esmės atmesti galimybę, kad variklis gali nekontroliuojamai svyruoti pirmyn ir atgal tarp skirtingų galios lygių.

Sukimosi mainų susidūrimuose atsiranda svyravimų, tačiau tyrimo grupė nustatė, kad laikui bėgant cezio atomų sukimai prisisotina. Kitaip tariant, po tam tikro laiko jie išliks būsenos, todėl svyravimus galima kontroliuoti. Palyginti su&", klasikinis [GG" "; šilumos variklis, šiame procese atomas pasiekia didesnę sužadintą būseną. Tai raktas į efektyvų kvantinio šilumos variklio veikimą. Be svyravimų slopinimo pranašumų, ši kvantinė technika taip pat leidžia mūsų kvantinei mašinai per vieną ciklą paversti daugiau energijos, kuri yra didesnė nei termodinaminė kvantinės mašinos, veikiančios dviem skirtingomis temperatūromis tradicinėje klasikinėje mašinoje, gebėjimas.

Mokslininkų sukurtas kvantinis šilumos variklis stabiliai veikdamas išskiria nuolatinę didelę galią, o efektyvumas yra labai didelis. Widera&tyrimų grupė, kuriai teoriškai pritarė profesorius Lutzas, sėkmingai priartino termodinamiką į kvantinį lygį ir dar labiau atvėrė duris kvantinės termodinamikos taikymui.