Kvantová tepelná elektrárna

Výzkumníci z Kaiserslauternu vyvíjejí výkonný minimotor. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

Profesor Dr. Artur Widera (vlevo) a hlavní autor studie Jens Nettersheim. (Fotografie: Thomas Koziel/TUK)

Klasické motory přeměňují jednu formu energie, například teplo, na mechanickou práci. Lze tyto zákonitosti také aplikovat na miniaturní stroj, který sestává pouze z jednoho atomu cesia a mohl by tak pracovat efektivněji? Tým vědců z TU Kaiserslautern pod vedením fyzikálního profesora Dr. Artura Widera to dokázal. Navíc se vědcům díky triku z kvantového arzenálu podařilo stroj stabilně provozovat i přes všudypřítomné fluktuace v kvantovém světě. Příslušná výzkumná práce byla nyní zveřejněna v odborném časopise Nature Communications.

Klasic­ky provozovaný motor se řídí zákony termodynamiky. Například se zapaluje benzin a teplo se přeměňuje písty na pohybovou energii. Tato základní pravidla přenesla pracovní skupina Widera ve spolupráci s prof. Dr. Eri­kem Lutzem z Univerzity Stuttgartu do kvantového světa a zabývala se základními otázkami termodynamiky v kvantové mechanice.

Jak však vůbec postavit takový kvantový tepel­ný stroj? Výzkumníci zvolili speciální experimentální uspořádání: jako médium slouží plyn z atomů rubidia, který byl – aby se vyloučily tepelné fluktuace – téměř ochlazen na absolutní nulu. Palivem v systému je spin rubidiových atomů, tedy jejich vlastní moment hybnosti. Miniaturní stroje sestávají z jednotlivých atomů cesia; nezbytná výměna tepla probíhá při srážkách mezi atomy cesia a rubidia.

„Spin může být orientován ve dvou směrech, nahoru nebo dolů, což v našem systému odpovídá teplu a chladu a tím i rozdílu teplot,“ vysvětluje Jens Nettersheim, doktorand a hlavní autor studie. „Když dochází ke takzvaným výměnám spinů, otáčející se pohyby srážejících se atomů cesia a rubidia se překlápí do opačného směru. Při velmi nízkých teplotách můžeme řídit směr změny spinu v jednotlivých srážkách. Pohyb pístu, který přeměňuje energii, jsme v systému nahradili měnícím se magnetickým polem.“ S pomocí těchto analogií výměny tepla a pohybu pístu se fyzikům podařilo realizovat ottoův cyklus v kvantovém světě.

Výzkumný tým překonal dosud považovanou za nezpochybnitelnou výzvu: „Vlastnosti či stavy kvantových částic nelze obvykle jednoznačně určit,“ vysvětluje Widera. „Jde o to, že je sice můžeme měřit, ale nikdy nemůžeme s jistotou předpovědět výsledek jednotlivého měření. Mohu pouze určit pravděpodobnost, s jakou se dané vlastnosti objeví.“ Právě tyto „nejistoty“ nebo fluktuace měřených výsledků dosud vedly k pochybnostem, zda kvantové tepelné stroje vůbec mohou poskytovat stálý výkon s vysokou účinností. „Chci vyloučit, že by motor nekontrolovatelně přecházel mezi různými výkonnostními režimy,“ říká Widera.

Během výměn spinů se tyto fluktuace také objevovaly, ale tým zjistil: „Postupem času se spin cesiových atomů nasycuje,“ říká Widera. „To znamená, že po určité době zůstávají v určitém stavu, a fluktuace jsou tak kontrolovatelné. Ve srovnání s ‚klasickými‘ tepelnými stroji atomy dosahují vyššího excitovaného stavu. Přesně to je klíčem k efektivnímu provozu kvantového tepelného stroje. Kromě výhody potlačených fluktuací mohou kvantové stroje díky tomuto kvantovému triku v jednom cyklu přeměnit více energie, než je teoreticky možné s teplými a studenými lázněmi podle termodynamických zákonů.“

Vyvinutý kvantový tepel­ný stroj vědců pracuje spolehlivě a zároveň poskytuje konstantní vysoký výkon při velmi vysoké účinnosti. Tím se Widerova skupina podařilo úspěšně propojit termodynamiku s kvantovým světem a spolu s teoretickou podporou prof. Lutze otevřít dveře k aplikacím kvantové termodynamiky.

Studie byla zveřejněna v prestižním odborném časopise Nature Communications:
„A quantum heat engine driven by atomic collisions“
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Odpovědi na otázky poskytuje:
Prof. Dr. Artur Widera
Fakulta individuálních kvantových systémů
Tel.: 0631 205-4130
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de