Penyelidik Telah Membangunkan Motor Mikro Berkuasa Untuk Merealisasikan Kitaran Uthmaniy di Dunia Kuantum

Motor klasik menukar jenis tenaga (seperti haba) ke dalam kerja mekanikal. Bolehkah undang-undang ini juga digunakan untuk mesin mikro dengan hanya satu cesium atom, dengan itu meningkatkan kecekapan kerja? Pasukan penyelidikan Technische Universität Kaiserslautern yang diketuai oleh profesor Fizik Dr. Arthur Widla memberikan bukti. Di samping itu, dengan bantuan kotak alat kuantum, saintis dapat menjalankan mesin dengan tikaman, walaupun turun naik adalah ubiquitous di dunia kuantum.

Kerja penyelidikan yang berkaitan kini telah diterbitkan dalam jurnal Nature Communications ("Enjin haba kuantum yang didorong oleh perlanggaran atom").

Enjin kuasa tradisional mengikut undang-undang termodinamik. Sebagai contoh, apabila petrol ignited, piston menukar tenaga haba menjadi tenaga kinetik. Pasukan penyelidikan Widera, dengan kerjasama Profesor Eric Lutz dari University of Stuttgart, telah memindahkan prinsip-prinsip asas ini ke dunia kuantum dan menyelesaikan masalah asas termodinamik dalam mekanik kuantum.

Tetapi bagaimana enjin kuantum sedemikian dibina di tempat pertama? Para penyelidik memilih alat eksperimen khas. Pertama, gas atom rubidium disejukkan kepada hampir sifar mutlak untuk meminimumkan turun naik haba. Mesin kecil ini terdiri dari atom cesium tunggal. Bahan bakar yang mendorong mesin adalah momentum angular atom rubidium, yang disebut spin. Apabila cesium dan rubidium atom bertembung, mereka bertukar-tukar haba dan berputar pada tahap kuantum.

Penulis pertama kajian dan pelajar kedoktoran Jens Nettersheim menjelaskan bahawa arah spin boleh diubah dalam dua arah, naik atau turun. Dalam sistem kita, ini mewakili panas. Dan sejuk, mengakibatkan perbezaan haba. Apabila apa yang dipanggil perlanggaran pertukaran spin berlaku, arah spin cesium yang berlanggar dan atom rubidium akan condong ke arah yang bertentangan. Pada suhu ultra-rendah yang diberikan oleh sistem kami, kita boleh mengawal arah perubahan spin dalam setiap perlanggaran. Di samping itu, kami menggantikan gerakan piston yang menukar tenaga sistem dengan medan magnet yang berubah-ubah. Menggunakan analogi ini untuk pertukaran haba dan pergerakan piston, ahli fizik telah berjaya merealisasikan kitaran Otto dunia kuantum.

Dalam proses ini, pasukan penyelidikan mengatasi cabaran yang sebelum ini dianggap tidak dapat dielakkan: sifat atau keadaan zarah kuantum biasanya tidak dapat ditentukan dengan jelas, Widera menjelaskan. Dengan kata lain, kita dapat mengukurnya, tetapi kita tidak pernah dapat meramalkan dengan pasti hasil pengukuran tunggal. Saya hanya boleh menentukan kebarangkalian berlakunya sifat diperhatikan. Ia adalah "kekaburan" atau turun naik keputusan pengukuran yang setakat ini telah menyebabkan komuniti saintifik meragui sama ada enjin haba kuantum boleh dipercayai memberikan kuasa berterusan kecekapan tinggi. Widera berkata bahawa saya ingin secara asasnya menolak kemungkinan enjin berubah-ubah berulang-ulang dan sebagainya tanpa kawalan antara tahap kuasa yang berbeza.

Dalam perlanggaran pertukaran spin, turun naik berlaku, tetapi pasukan penyelidikan mendapati bahawa dari masa ke masa, putaran cesium atom tepu. Dalam erti kata lain, mereka akan kekal dalam keadaan selepas tempoh masa, jadi turun naik boleh dikawal. Berbanding dengan enjin haba "klasik", atom mencapai keadaan teruja yang lebih tinggi dalam proses ini. Ini adalah kunci kepada operasi enjin haba kuantum yang cekap. Sebagai tambahan kepada kelebihan menyekat turun naik, teknik kuantum ini juga membolehkan mesin kuantum kami menukar lebih banyak tenaga dalam satu kitaran, yang lebih tinggi daripada keupayaan termodinamik mesin kuantum yang berjalan pada dua suhu yang berbeza dalam mesin klasik tradisional.

Enjin haba kuantum yang dibangunkan oleh penyelidik melepaskan kuasa tinggi yang berterusan semasa beroperasi dengan tikaman, dan kecekapannya sangat tinggi. Pasukan penyelidikan Widera, dengan sokongan teori Profesor Lutz, berjaya membawa termodinamik ke peringkat kuantum, seterusnya membuka pintu kepada aplikasi termmodinamik kuantum.