חוקרים פיתחו מנועי מיקרו עוצמתיים למימוש מחזור אוטו בעולם הקוונטים

מנוע קלאסי הופך סוג של אנרגיה (כגון חום) לעבודה מכנית. האם ניתן להחיל חוקים אלה גם על מכונת מיקרו עם אטום צזיום אחד בלבד, ובכך לשפר את יעילות העבודה? צוות המחקר Technische Universität Kaiserslautern בראשות פרופסור לפיזיקה ד"ר ארתור וידלה סיפק הוכחות. בנוסף, בעזרת ארגז הכלים הקוונטי, מדענים מסוגלים להפעיל מכונות בצורה יציבה, למרות שהתנודות נמצאות בכל מקום בעולם הקוונטי.

עבודות מחקר קשורות פורסמו כעת בכתב העת Nature Communications (& quot; מנוע חום קוונטי המונע מהתנגשויות אטומיות").

מנועי כוח מסורתיים פועלים לפי חוקי התרמודינמיקה. לדוגמה, כאשר הדלק נדלק, הבוכנה ממירה את אנרגיית החום לאנרגיה קינטית. צוות המחקר של וידרה', בשיתוף עם פרופסור אריק לוץ מאוניברסיטת שטוטגרט, העביר עקרונות בסיסיים אלה לעולם הקוונטי ופתר את הבעיות הבסיסיות של התרמודינמיקה במכניקת הקוונטים.

אך כיצד נבנה מנוע קוונטי שכזה מלכתחילה? החוקרים בחרו במכשיר ניסיוני מיוחד. ראשית, הגז של אטומי הרובידיום התקרר לאפס מוחלט כמעט כדי למזער תנודות תרמיות. מכונה זעירה זו מורכבת מאטום צזיום יחיד. הדלק המניע את המכונה הוא המומנטום הזוויתי של אטומי רובידיום, הנקרא ספין. כאשר אטומי צזיום ורובידיום מתנגשים, הם מחליפים חום ומסתובבים ברמה הקוונטית.

המחבר הראשון והדוקטורנט של המחקר, Jens Nettersheim, הסביר כי ניתן לשנות את כיוון הספין לשני כיוונים, למעלה או למטה. במערכת שלנו, זה מייצג חום. וקור, וכתוצאה מכך הבדל תרמי. כאשר מתרחשת התנגשות החלפת ספינים, כיווני הסחרור של אטומי הצזיום והרובידיום המתנגשים יטהו לכיוונים מנוגדים. בטמפרטורה הנמוכה במיוחד שניתנת על ידי המערכת שלנו, אנו יכולים לשלוט על כיוון שינוי הספין בכל התנגשות. בנוסף, החלפנו את תנועת הבוכנה הממירה את האנרגיה של המערכת בשדה מגנטי משתנה. באמצעות אנלוגיות אלה להחלפת חום ותנועת בוכנה, פיסיקאים הבינו בהצלחה את מחזור אוטו של העולם הקוונטי.

בתהליך זה, צוות המחקר מתגבר על אתגר שנחשב בעבר כבלתי עביר: בדרך כלל לא ניתן לקבוע בבירור את תכונותיהם או מצביהם של חלקיקים קוונטיים, הסבירה וידרה. במילים אחרות, אנו יכולים למדוד אותם, אך לעולם איננו יכולים לחזות בוודאות את התוצאה של מדידה אחת. אני יכול לקבוע רק את ההסתברות להתרחשות הנכס הנצפה. זהו" עמימות" או תנודות של תוצאות המדידה שהביאו עד כה את הקהילה המדעית להטיל ספק אם מנוע החום הקוונטי יכול לספק באופן מהימן הספק קבוע בעל יעילות גבוהה. וידרה אמרה כי אני רוצה לשלול מיסודה את האפשרות שהמנוע יסתובב הלוך ושוב ללא שליטה בין רמות הספק שונות.

בהתנגשויות של חילופי ספינים מתרחשות תנודות, אך צוות המחקר מצא כי לאורך זמן מסתובבים סיבובי אטומי הצזיום. במילים אחרות, הם יישארו במצב לאחר תקופה מסוימת, כך שניתן לשלוט בתנודות. בהשוואה לציטוט &; קלאסי &; מנוע חום, האטום מגיע למצב נרגש גבוה יותר בתהליך זה. זהו המפתח לפעולה יעילה של מנוע חום קוונטי. בנוסף ליתרונות של דיכוי תנודות, טכניקת הקוונטים הזו מאפשרת גם למכונה הקוונטית שלנו להמיר יותר אנרגיה במחזור אחד, הגבוה מהיכולת התרמודינמית של מכונה קוונטית הפועלת בשתי טמפרטורות שונות במכונה קלאסית מסורתית.

מנוע החום הקוונטי שפיתחו החוקרים משחרר הספק גבוה רציף תוך כדי הפעלה יציבה, והיעילות גבוהה מאוד. צוות המחקר של ווידרה', בתמיכתו התיאורטית של פרופסור לוץ, הביא בהצלחה את התרמודינמיקה לרמה הקוונטית, ופתח עוד את הדלת ליישום התרמודינמיקה הקוונטית.