Квантовые эффекты повышают производительность двигателя



Усиление мощности: квантовый тепловой двигатель из синтетического алмаза (предоставлено Jonas Becker)

Физики в последние годы создали несколько микроскопических тепловых двигателей, чтобы исследовать, как законы термодинамики могут изменяться в атомном масштабе. Однако на сегодняшний день ни одна такая машина не продемонстрировала квантово-механических эффектов. Теперь исследователи в Великобритании и Израиле создали миниатюрные двигатели в блоке синтетического алмаза и показали, что электронное наложение может повысить их мощность по сравнению с классическими устройствами.

Тепловой двигатель - это любое устройство, которое работает, используя поток тепла между горячими и холодными ваннами. Обычно он содержит физический поршень, который движется вверх и вниз, когда газ или другая жидкость расширяется и сжимается. Но его производительность не зависит от каких-либо квантово-механических свойств газа.

Это не относится к так называемому квантовому тепловому двигателю. В 2015 году Ронни Кослофф и его коллеги из Еврейского университета в Израиле теоретически проанализировали работу двигателя, который использует квантовую когерентность посредством суперпозиции энергетических состояний. Они обнаружили, что, хотя такая машина не может превышать эффективность Карно - которая устанавливает предел производительности для любого реверсивного теплового двигателя - в течение коротких циклов она должна генерировать больше энергии, чем любое эквивалентное классическое устройство, работающее между одними и теми же тепловыми ваннами.

В последней работе Джеймс Клатцов из Оксфордского университета, Раам Уздин из Еврейского университета в Иерусалиме, Эйлон Поем из Института науки Вейцмана, также в Израиле, и сотрудники из Оксфордского и Батского университета создали такой двигатель в лаборатория. Как сообщается в статье, недавно принятой для публикации в Physical Review Letters , устройство использует так называемые центры вакансий азота, зазоры в алмазной решетке, создаваемой примесями азота, которые действуют так, как если бы они были атомами, содержащими набор дискретных уровней энергии. , Рассматриваемый алмаз представляет собой плиту размером 5 на 5 мм, которая подвергается воздействию как микроволн, так и зеленого лазерного излучения.

Двухтактный двигатель
Цикл двигателя состоит из двух тактов, каждый из которых длится всего несколько десятков наносекунд, хотя они не включают движение поршня, как, скажем, двигатель внутреннего сгорания. Первый удар является тепловым, при котором электроны поднимаются до более высокого уровня энергии лазерным излучением, а затем опускаются обратно на промежуточный уровень и флуоресцируют в красной части спектра. Затем наступает энергетический удар, во время которого микроволновые фотоны с правильной частотой стимулируют электроны возвращаться обратно в их основное состояние. Конечным результатом является то, что два фотона испускаются на каждый поглощенный.

Помимо передачи электронов между основным и промежуточным состояниями, микроволновое взаимодействие создает квантовую суперпозицию между этими состояниями. Двигатель становится квантовомеханическим благодаря использованию этой суперпозиции для увеличения скорости генерации стимулированных фотонов - эффект, который вступает в действие только тогда, когда удары очень короткие и квантовая суперпозиция остается когерентной. Это не повышает общую выходную мощность двигателя - то есть нет никаких нарушений термодинамических законов - но это приводит к ускорению. Другими словами, это повышает мощность устройства по сравнению с двигателем без квантовой суперпозиции.

Klatzow и коллеги продемонстрировали этот прирост производительности, измерив, сколько работы двигатель может сделать в каждом цикле, поскольку они варьировали продолжительность теплового удара. Идея состояла в том, чтобы выяснить, что произошло, когда длительность хода приблизилась к времени декогеренции (около 75 нс) - когда двигатель становится менее квантовым. И действительно, они обнаружили, что работа, выполняемая за цикл, снижалась по мере того, как ход удлинялся.

Как указывает Клатцов, четыре года назад группа в Германии построила тепловой двигатель, использующий только один ион кальция, который исследователи заставляли двигаться вперед и назад вдоль небольшой воронки, включая и выключая электроды с определенной скоростью. Он описывает эту работу как «очень впечатляющую», но говорит, что они не показали, что квантовая когерентность влияет на производительность двигателя, даже если один ион, несомненно, является квантовым объектом.

Квантовая сила
В отличие от этого, говорит он, последнее устройство подвержено квантовым эффектам, потому что оно может работать с использованием минимального количества тепла - благодаря чрезвычайно чувствительным измерениям, которые они проводят посредством лазерной флуоресценции. «Мы первыми продемонстрировали эффекты квантовой когерентности при работе тепловых двигателей», - говорит он.

Клатцов считает, что практическое применение исследований еще далеко, особенно те, которые полагаются на высокую эффективность - при нынешних показателях, говорит он, «безусловно, далеко не близко к Карно». С другой стороны, он считает, что это может помочь улучшить наше понимание фотосинтеза, поскольку растения в действительности работают подобно тепловому двигателю, преобразовывая солнечный свет в запасенную электрическую энергию. «Люди подозревают, что могут быть какие-то квантово-когерентные процессы, которые были бы фантастическими, если бы мы могли имитировать их», - говорит он. «Это может быть полезно для очень эффективных солнечных батарей».

Кослофф поздравляет экспериментальную группу с «очень важным вкладом» в квантовую термодинамику и весьма оптимистичен в отношении приложений. Он утверждает, что последние исследования «прокладывают путь к вопросу о квантовом превосходстве» в конструкциях тепловых двигателей и холодильников. «В ближайшем будущем квантовые холодильники станут решающим фактором в квантовой технологии», - говорит он.

Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-boost-engine-performance/


Comments 0