kvantum-hőerőgép

A Kaiserslautern-i kutatók egy nagy teljesítményű minimotort fejlesztenek. (Kép: Thomas Koziel/TUK)

Professzor Dr. Artur Widera (balra) és a tanulmány első szerzője, Jens Nettersheim. (Fotó: Thomas Koziel/TUK)

Hagyományos motorok az energiaváltozatokat, például hőt alakítanak mechanikus munkává. Át lehet-e ezeket a törvényszerűségeket ültetni egy olyan miniatűr gépbe, amely csak egyetlen cézium-atomból áll, és így hatékonyabban működhetne? Egy kutatócsoport a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemen, Artur Widera fizika professzor vezetésével, bebizonyította ezt. Emellett a tudósok egy kvantumeszközök közül vett trükk segítségével stabilan tudták működtetni a gépet a kvantumvilágban mindent átható fluktuációk ellenére is. A kapcsolódó kutatási munka most jelent meg a Nature Communications szaklapban.

Az klasszikus működtetésű motor a termodinamika törvényeit követi. Például benzin ég, és a hőenergiát a dugattyúk mechanikus energiává alakítják. Widera munkacsoportja ezeket az alapelveket átültette a kvantumvilágba, együttműködve az Stuttgart-i Egyetem Prof. Dr. Eric Lutzával, és ezzel foglalkozva a termodinamika alapvető kérdéseivel a kvantummechanikában.

De hogyan lehet ilyen kvantum-hőgép építeni egyáltalán? A kutatók egy speciális kísérleti felállítást választottak: Egy rubídium-atomokból álló gáz szolgál közegként, amelyet – a hőmérsékleti fluktuációk kizárása érdekében – majdnem az abszolút nulla fokra hűtöttek. A rendszer üzemanyaga a rubídium-atomok spinje, vagyis saját forgási impulzusa. A miniatűr gépek egyesülnek egyes cézium-atomokból állnak; a szükséges hőcserét a cézium- és rubídium-atomok ütközései során valósítják meg.

„A spin két irányba, felfelé vagy lefelé fordulhat, ami rendszerünkben melegnek és hidegnek felel meg, így a hőkülönbséget reprezentálja” – magyarázza Jens Nettersheim, a tanulmány első szerzője és PhD-hallgató. „Amikor a úgynevezett spin-csereütközések megtörténnek, a cézium- és rubídium-atomok forgási mozgásai átfordulnak a másik irányba. Az ultrahideg hőmérsékleteken kontrollálni tudjuk az egyes fordulási irányokat. A dugattyú mozgását, amely az energiát alakítja, egy változó mágneses mező helyettesíti a rendszerben.” Ezekkel az analógiákkal a hőcserére és a dugattyú mozgására a fizikusok sikerrel valósítottak meg egy Otto-ciklust a kvantumvilágban.

Azonban a kutatócsoport egy eddig megkérdőjelezhetetlennek tartott kihívást is leküzdött: „A kvantumrészecskék tulajdonságait vagy állapotait általában nem lehet egyértelműen meghatározni” – mondja Widera. „Vagyis ezeket mérhetjük ugyan, de soha nem lehet biztosan megjósolni egy egyedi mérés eredményét. Csak azt tudom megállapítani, hogy mekkora valószínűséggel fordulnak elő a megfigyelt tulajdonságok.” Ezek a „homályosságok” vagy fluktuációk eddig ahhoz vezettek, hogy a tudomány kételkedett abban, hogy egy kvantumhőerőgép képes lehet állandó teljesítményt és magas hatékonyságot nyújtani. „Alapvetően kizárnám, hogy egy motor kontrollálatlanul váltogatná a teljesítményszinteket” – mondja Widera.

A spin-csereütközéseknél is jelentkeztek ezek a fluktuációk, de a kutatócsoport megállapította: „Idővel a cézium-atomok spinje telítődik” – mondja Widera. „Vagyis egy idő után egy állapotban maradnak, így a fluktuációk kontrollálhatóvá válnak. A klasszikus hőgépekkel összehasonlítva ezek az atomok magasabb gerjesztett állapotba kerülnek. Ez a kulcs ahhoz, hogy egy kvantumhőerőgép hatékonyan működhessen. Emellett a fluktuációk elnyomásával a kvantumgépek egy fordulóban akár több energiát is képesek átalakítani, mint amit a termodinamika szerint meleg és hideg medencék között lehetne.”

A kutatók által kifejlesztett kvantumhőerőgép megbízhatóan működik, és egyidejűleg magas, állandó teljesítményt nyújt, mindezt rendkívül magas hatékonysággal. Ezzel a Widera csoportja sikerrel hozta össze a termodinamikát a kvantumvilággal a kísérletben, és Lutz professzor elméleti támogatásával tovább nyitotta a kvantumtermodinamika alkalmazásának kapuit.

A tanulmány a rangos szaklapban, a Nature Communicationsban jelent meg:
„Egy kvantumhőgép, amit atomütközések hajtanak”
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Kérdésekre választ ad:
Prof. Dr. Artur Widera
Egyéni Kvantumrendszerek Tanszék
Telefon: 0631 205-4130
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de