Den teoretiska uppfattningen om en "kvantvärmemotor" har funnits i flera decennier. Det introducerades först för cirka sextio år sedan av Scovil och Schulz-DuBois, två fysiker vid Bell Labs som drog en analogi mellan trenivåmasrar och termiska maskiner.

Under åren som följde, andra forskare har utvecklat en mängd olika teorier som bygger på Scovils och Schulz-DuBois idéer, introducerar förslag på termodynamiska cykler i kvantskala. Väldigt nyligen, fysiker har börjat testa några av dessa teorier i experimentella miljöer.

Ett av dessa experiment utfördes av ett team av forskare vid University of Waterloo, Universidade Federal do ABC och Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, som framgångsrikt demonstrerade en spinnkvantvärmemotor i laboratoriemiljö. Deras papper, publicerad i Physics Review Letters , beskriver implementeringen av en värmemotor baserad på ett spin-1/2-system och kärnmagnetiska resonanstekniker.

"Den så kallade "kvanttermodynamiken" är för närvarande under utveckling, "Roberto Serra, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Detta framväxande fält är också förknippat med utvecklingen inom kvantteknologi, som utlovar en sorts ny industriell revolution i nanoskala med störande enheter för beräkning, kommunikation, sensorer, etc."

I deras experiment, Serra och hans kollegor implementerade framgångsrikt en principbevis kvantvärmemotor med hjälp av ett kärnspinn placerat i en kloroformmolekyl och kärnmagnetisk resonansteknik. Forskarna manipulerade specifikt kärnspinnet hos en kol 13-isotop med hjälp av ett radiofrekvent fält, som slutligen producerar en Otto-cykel (dvs. den termodynamiska cykeln som används i de flesta vanliga motorer).

"Energiskillnaden mellan de två möjliga kärnspinntillstånden (låt säga upp och ner) ökades och minskade på samma sätt som en kolvexpansion och kompression i en bilmotor, ", förklarade Serra. "Under vissa förhållanden, kärnsnurrarna i molekylen kan absorbera och frigöra värme från/till radiovågor."

Energifluktuationer spelar en avgörande roll i det kvantscenario som Serra och hans kollegor fokuserade på. Mätning av dessa fluktuationer i en termodynamisk cykel, dock, är en extremt utmanande uppgift, vilket forskarna överraskande lyckades genomföra. De fann att när man utför en kvant Otto-cykel med maximal effekt, deras kvantvärmemotor skulle kunna uppnå en effektivitet för arbetsutvinning på η≈42%, vilket är mycket nära sin termodynamiska gräns (η=44%).

"I detta experiment, vi kunde karakterisera alla energifluktuationer i arbete och värme, förutom irreversibiliteten på kvantskala, "John Peterson en av medförfattarna till studien, berättade för Phys.org. "Snabb drift av vår molekylära maskin producerar övergångar mellan spinnenergitillstånden, som är relaterade till vad vi kallar "kvantfriktion" som minskar prestandan. Denna typ av friktion är också förknippad med en ökning av entropin. Å andra sidan, en mycket långsam operation (som minskar kvantfriktionen) kommer inte att leverera en ansenlig mängd extraherad kraft. Så, det bästa scenariot är att försona en viss mängd kraft med låga nivåer av kvantfriktion eller entropiproduktion, på ett liknande sätt som modern teknik gör i bilars motorer."

Studien utförd av Serra och hans kollegor är bland de första som experimentellt demonstrerar en proof-of-concept spin quantum heat engine. Denna proof-of-concept värmemotor kan i slutändan informera framtida studier som utforskar funktionen och potentialen hos kvanttermiska maskiner.

"I vårt experiment, den lilla spinnmotorn når en verkningsgrad nära sin termodynamiska gräns vid maximal effekt, vilket är mycket bättre än vad bilmotorer kan göra nuförtiden, ", sa Serra. "Kvantspinmotorn skulle inte vara särskilt användbar i praktiken eftersom det producerade arbetet skulle leverera en mycket liten mängd energi till radiovågor. Det skulle bara räcka för att ändra ytterligare ett kärnspinn. Vi är mer intresserade av att mäta hur mycket energi den använder, hur mycket värme den avleder, och hur mycket entropi som produceras under drift."

I deras framtida arbete, Serra och hans kollegor hoppas också kunna identifiera sätt att optimera driften av små kvanttermiska maskiner, demonstrerar deras effektivitet i verkliga experiment. Detta kan i slutändan hjälpa till att bygga mer avancerade kvantkylskåp som skulle kunna implementeras i nya kvantdatorer.

© 2019 Science X Network