Även om många av dagens accepterade teorier om klassisk termodynamik föregår även den industriella revolution som de hjälpte till att driva, många öppna frågor återstår kring hur dessa idéer översätts till nivån på enkelsystem. Särskilt, potentialen för överlagring av stater har ännu outforskade konsekvenser för termodynamiskt beteende. Nu, ett samarbete mellan forskare i Japan, Ukraina och USA har tagit fram en kvantanordning som inte bara kan bete sig analogt med en värmemotor och ett kylskåp, men också en superposition av båda samtidigt.

Keiji Ono, Sergey Shevchenko och Franco Nori - som delar en anknytning till RIKEN i Japan, bland deras andra institutioner, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering och University of Michigan — hade alla arbetat med qubits i olika skepnader. De kom tillsammans för att undersöka beteendet hos qubits baserat på föroreningar i kisel för kvantinterferometri innan de vände uppmärksamheten på hur beteendet hos dessa system kan likna klassiska värmemotorer.

Experimentella utmaningar

Att utforska termodynamik på kvantnivå öppnar några spännande möjligheter. "Ett av ämnena som diskuteras inom detta område är kvantvärmemotorernas möjlighet att övervinna effektiviteten hos klassiska, "Shevchenko föreslår som ett exempel. Men det är inte utan sina utmaningar, vilket innebär att de flesta studier hittills har varit rent teoretiska. Bland andra egenskaper, för kvantteknik, det är viktigt att ha qubits som är "heta, tät, och sammanhängande, "Shevchenko berättar för Phys.org. Här, "het" betyder att arbeta i få-Kelvin-regimen, som, medan det fortfarande är ganska frostigt, är mindre tekniskt utmanande än system som kräver nedkylning till millikelvin. Avvägningen är att sådana heta system är svårare att beskriva och kontrollera, men här, forskarna kunde utnyttja sin rikedom av expertis med kiselbaserade qubits.

Åh nej, Shevchenko och Nori och deras medarbetare baserade sina kvanttermodynamiska studier på en tunnelfältseffekt-transistor tillverkad av tätt implanterade föroreningar i kisel. Under källförstärkningsspänningar, transport över deras enhet domineras av tunnling mellan en förorening nära ytan (ytlig) och en i närheten men djupare i materialet, skapa en enhet på två nivåer. Enhetens elektrontransportbeteende ger upphov till intressanta snurregenskaper, särskilt, en elektronspinnresonans där källor-dräneringsströmmen toppar för specifika applicerade AC- och DC-magnetfält. Från denna resonans topp, de kunde extrahera två karakteristiska tidsskalor som återspeglar livslängden för det upphetsade tillståndet på orenheten och dess dekoherenstid. Dekoherens -tiden definierar hur länge en bestämd fasrelation kvarstår mellan dess vågfunktion och andra, vilket möjliggör överlagring och störningar.

Förutom att kunna driva enheten med grindspänningen för att fylla i de två energinivåerna, forskarna kunde också justera gapet mellan energinivåerna genom att modulera magnetfältens frekvens och amplitud. Som ett resultat, beroende på om systemet kördes till exciterat tillstånd när gapet var stort och avslappnat när det var mindre eller omvänt, den skulle fungera analogt med en Otto -värmemotor eller kylskåp. De intressanta kvanteffekterna uppstår när avslappningsperioden och perioden för drivspänningen börjar sammanfalla. Vid denna tidpunkt, de visar att enhetsfunktionen kan vara i en superposition av både motor och kylskåp. Teoretiska beräkningar av excitationssannolikheten matchade perfekt de uppmätta toppströmmarna.

Gränser och framtida utveckling

Det finns vissa skillnader mellan driften av deras kvantanordning och en klassisk värmemotor eller kylskåp. Särskilt, det finns inga värmebad, även om deras enhet är ansluten till högre och lägre spänningsledningar, fungerar som elektriska analoger till värmebad. Ändå, Shevchenko säger, "Det är förvånande att överväga den nya möjligheten att ha en kvantöverlagring av en liten motor och ett litet kylskåp."

Medan den första erkände att i det makroskopiska eller klassiska fallet, en sådan enhet skulle inte möta många praktiska krav, forskarna hoppas att det för kvanteobjekt kan introducera nya funktioner som inte bara är intressanta utan också användbara. Som ett annat exempel, Shevchenko citerar lasern, som uppfanns långt innan de nu allestädes närvarande applikationerna blev uppenbara. "Vi tror att våra resultat är vetenskapligt intressanta, "Shevchenko berättar för Phys.org." För närvarande, vi utforskar dess grundläggande fysik, och [tror] att de möjliga tillämpningarna inte är tydliga just nu. Detta händer ofta inom vetenskapen. "

© 2020 Science X Network