Kwantum-warmtemachine

De onderzoekers uit Kaiserslautern ontwikkelen een krachtige minimotor. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

Professor Dr. Artur Widera (links) en de eerste auteur van de studie Jens Nettersheim. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

Klassieke motoren zetten een energievorm zoals warmte om in mechanische arbeid. Kunnen deze wetten ook worden toegepast op een miniatuurmachine die slechts uit een enkel Caesium-atoom bestaat en daardoor efficiënter zou kunnen werken? Een onderzoeksteam van de TU Kaiserslautern onder leiding van natuurkundeprofessor Dr. Artur Widera heeft het bewijs geleverd. Bovendien konden de wetenschappers, met behulp van een truc uit de kwantowerkzeugkist, de machine ondanks de in de kwantumwereld alomtegenwoordige fluctuaties stabiel laten werken. Het bijbehorende onderzoeksartikel is nu gepubliceerd in het vakblad Nature Communications.

Een klassiek bediende motor volgt de wetten van de thermodynamica. Bijvoorbeeld wordt benzine ontstoken en wordt warmte-energie via de zuigers omgezet in bewegingsenergie. Deze basisprincipes heeft de werkgroep van Widera in samenwerking met prof. dr. Eric Lutz van de Universiteit Stuttgart overgebracht naar de kwantumwereld en zich daarbij beziggehouden met fundamentele vragen van de thermodynamica in de kwantummechanica.

Maar hoe bouw je zo'n kwantum-warmtemachine überhaupt? Hiervoor kozen de onderzoekers voor een speciale opstelling: als medium dient een gas van rubidiumatomen, dat – om thermische fluctuaties uit te sluiten – bijna tot het absolute nulpunt is afgekoeld. De brandstof in het systeem is de spin van de rubidiumatomen, dus hun intrinsieke impulsmoment. De miniatuurmachines bestaan uit afzonderlijke Caesium-atomen; de noodzakelijke warmte-uitwisseling vindt plaats bij botsingen tussen Caesium- en rubidiumatomen.

„De spin kan in twee richtingen, omhoog of omlaag, verlopen, wat in ons systeem warm en koud betekent en daarmee het temperatuurverschil representeert“, legt Jens Nettersheim uit, promovendi en eerste auteur van de studie. „Wanneer de zogenaamde spin-uitwissingsstoten plaatsvinden, kantelen de draaimomenten van het botsende Caesium- en rubidium-atoom in de andere richting. Bij ultrakoude temperaturen kunnen we de richting van de spin-omkering in individuele stoten controleren. De beweging van de zuiger, die de energie omzet, hebben we in het systeem vervangen door een veranderend magnetisch veld.“ Met behulp van deze analogieën voor warmte-uitwisseling en zuigerbeweging is het de natuurkundigen gelukt om een Otto-cyclus in de kwantumwereld te realiseren.

Het onderzoeksteam heeft daarbij een tot nu toe als onbetwistbaar beschouwde uitdaging overwonnen: „De eigenschappen of toestanden van kwantondeeltjes kunnen over het algemeen niet eenduidig worden bepaald“, legt Widera uit. „Dat wil zeggen, we kunnen ze wel meten, maar nooit met zekerheid de meetresultaten van een enkele meting voorspellen. Ik kan slechts vaststellen met welke waarschijnlijkheid de waargenomen eigenschappen voorkomen.“ Precis deze „onzekerheden“ of fluctuaties in de meetresultaten hebben er tot nu toe toe geleid dat de wetenschap heeft getwijfeld of een kwantum-warmtemachine überhaupt een constante prestatie met hoge efficiëntie kan leveren. „Ik wil in principe uitsluiten dat een motor oncontroleerbaar tussen verschillende vermogensniveaus fluctueert“, aldus Widera.

Tijdens de spin-uitwissingsstoten traden deze fluctuaties ook op, maar het onderzoeksteam stelde vast: „Na verloop van tijd verzadigt de spin van de Caesium-atomen“, zegt Widera. „Met andere woorden, ze blijven na een bepaalde tijd in een toestand, waardoor fluctuaties controleerbaar worden. In vergelijking met 'klassieke' thermische machines bereiken de atomen daarbij een hogere excitatiestatus. Juist dat is de sleutel om een kwantum-warmtemachine efficiënt te kunnen laten werken. Naast het voordeel van onderdrukte fluctuaties kunnen kwantummachines door deze kwantumtruc zelfs in één cyclus meer energie omzetten dan thermodynamisch mogelijk is met warme en koude reservoirs.“

De door de onderzoekers ontwikkelde kwantum-warmtemachine werkt betrouwbaar en levert tegelijkertijd een constant hoog vermogen en dat met zeer hoge efficiëntie. Daarmee is het de werkingsgroep van Widera gelukt om de thermodynamica succesvol te combineren met de kwantumwereld en, samen met de theoretische ondersteuning van prof. Lutz, de deur verder te openen voor toepassingen van de kwantumthermodynamica.

De studie is verschenen in het gerenommeerde vakblad Nature Communications:
„A quantum heat engine driven by atomic collisions“
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Vragen beantwoord door:
Prof. dr. Artur Widera
Vakgebied Individuele Kwantumsystemen
Tel.: 0631 205-4130
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de