Kwantowa maszyna cieplna

Naukowcy z Kaiserslautern opracowują wydajny minimalny silnik. (Zdjęcie: Thomas Koziel/TUK)

Profesor dr Artur Widera (z lewej) i główny autor badania Jens Nettersheim. (Zdjęcie: Thomas Koziel/TUK)

Klasyczne silniki zamieniają jedną formę energii, taką jak ciepło, na pracę mechaniczną. Czy można przenieść te zasady na miniaturowy silnik, który składa się tylko z pojedynczego atomu cezu i mógłby działać wydajniej? Zespół badawczy z TU Kaiserslautern pod kierownictwem profesora fizyki Dr. Artura Widery udowodnił to. Ponadto naukowcy, korzystając z triku z narzędzi kwantowych, byli w stanie stabilnie obsługiwać maszynę mimo powszechnych fluktuacji w świecie kwantowym. Powiązane badania zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie naukowym Nature Communications.

Klasyczny silnik działa zgodnie z prawami termodynamiki. Na przykład, benzyna jest zapalana, a energia cieplna zamieniana przez tłoki na energię mechaniczną. Te podstawowe zasady przeniosła grupa badawcza Widera we współpracy z prof. Dr. Ericem Lutzem z Uniwersytetu w Stuttgarcie do świata kwantowego, zajmując się fundamentalnymi pytaniami termodynamiki w mechanice kwantowej.

Jak jednak można zbudować taki kwantowy silnik cieplny? W tym celu naukowcy wybrali specjalną konfigurację eksperymentalną: jako medium służy gaz z atomów rubidu, który – aby wykluczyć fluktuacje termiczne – został schłodzony do niemal zera absolutnego. Paliwem w systemie jest spin atomów rubidu, czyli ich własny moment pędu. Miniaturowe maszyny składają się z pojedynczych atomów cezu; niezbędna wymiana ciepła zachodzi podczas zderzeń atomów cezu i rubidu.

„Spin może przyjmować dwa kierunki, w górę lub w dół, co w naszym systemie oznacza gorąco i zimno, a tym samym reprezentuje różnicę temperatur” – wyjaśnia Jens Nettersheim, doktorant i główny autor badania. „Kiedy dochodzi do tak zwanych wymian spinów, obroty zderzających się atomów cezu i rubidu przechylają się w przeciwnych kierunkach. Przy ultrazimnych temperaturach możemy kontrolować kierunek zmiany spinu w pojedynczych zderzeniach. Ruch tłoka, który zamienia energię, zastąpiliśmy w systemie zmieniającym się polem magnetycznym.” Dzięki tym analogiom do wymiany ciepła i ruchu tłoka, fizycy zdołali zrealizować cykl Otto w świecie kwantowym.

Podczas tego procesu zespół badawczy pokonał dotychczas uważane za nie do pokonania wyzwanie: „Właściwości lub stany cząstek kwantowych zazwyczaj nie mogą być jednoznacznie określone” – wyjaśnia Widera. „Oznacza to, że możemy je zmierzyć, ale nigdy nie przewidzieć z pełną pewnością wyniku pojedynczego pomiaru. Mogę jedynie określić, z jakim prawdopodobieństwem wystąpią obserwowane właściwości.” To właśnie te „niepewności” lub fluktuacje wyników pomiarów do tej pory powodowały, że nauka wątpiła, czy kwantowy silnik cieplny może w ogóle dostarczać stałą moc przy wysokiej wydajności. „Chcę zasadniczo wykluczyć, że silnik niekontrolowanie fluktuuje między różnymi poziomami wydajności” – dodaje Widera.

Podczas wymiany spinów również pojawiały się te fluktuacje, ale zespół badawczy zauważył: „Z czasem spin atomów cezu się nasyca” – mówi Widera. „Oznacza to, że po pewnym czasie pozostają one w stanie, a fluktuacje stają się kontrolowalne. W porównaniu z 'klasycznymi' termicznymi maszynami atomy osiągają wyższy stan wzbudzenia. To właśnie klucz do efektywnego działania kwantowego silnika cieplnego. Dodatkowo, oprócz korzyści wynikających z tłumienia fluktuacji, kwantowe maszyny mogą w jednym cyklu zamienić nawet więcej energii, niż jest to możliwe termodynamicznie z gorącymi i zimnymi zbiornikami.”

Opracowany przez naukowców kwantowy silnik cieplny działa niezawodnie, zapewniając jednocześnie stałą wysoką moc i bardzo wysoką wydajność. Dzięki temu grupa Widery z powodzeniem połączyła termodynamikę z eksperymentami w świecie kwantowym, a wraz z teoretycznym wsparciem prof. Lutza poszerzyła drzwi do zastosowań kwantowej termodynamiki.

Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie naukowym Nature Communications:
„Kwantowy silnik cieplny napędzany zderzeniami atomów”
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Odpowiadający na pytania:
Prof. Dr. Artur Widera
Dział Fizyki Układów Kwantowych
Tel.: 0631 205-4130
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de