Miniaturiserede varmemotorer kunne drive fremtidens nanoskala -maskiner

Forskning fra University of Manchester har kastet nyt lys over brugen af ​​miniaturiserede 'varmemotorer', der en dag kunne hjælpe med at drive nanoskala -maskiner som kvantecomputere.

Varmemotorer er enheder, der gør termisk energi til en nyttig form kendt som 'arbejde', som kan levere strøm - ligesom enhver anden motor.

Dr Ahsan Nazir, en lektor og EPSRC -stipendiat baseret på Manchester's Photon Science Institute og School of Physics and Astronomy, ønskede at se, hvordan varmemotorer klarede sig på kvantenniveau, et subatomært miljø, hvor de klassiske fysiske love ikke altid gælder.

Varmemotorer i denne skala kan hjælpe med at drive fremtidens miniaturiserede nanoskala -maskiner, såsom komponenter af kvantecomputere.

Dr. Nazirs forskning, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang E , viste, at varmemotorer var tilbøjelige til at miste ydeevnen på kvanteskalaen på grund af den måde, sådanne enheder udveksler energi med eksterne varmereservoirer - og der ville være behov for mere undersøgelse for at afhjælpe denne udfordring.

"Varmemotorer er enheder, der omdanner termisk energi til en nyttig form kendt som 'arbejde', " forklarede Dr Nazir.

"Udover at være af enorm praktisk betydning, den teoretiske forståelse af faktorer, der bestemmer deres energiomsætningseffektivitet, har muliggjort en dyb forståelse af de klassiske love for termodynamik.

"For nylig, stor interesse har fokuseret på kvantrealiseringer af motorer for at afgøre, om termodynamiske love også gælder for kvantesystemer.

"I de fleste tilfælde, disse motorer forenkles ved at antage, at interaktionen mellem arbejdssystemet og de termiske reservoirer er forsvindende lille. På den klassiske makroskopiske skala er denne antagelse typisk gyldig - men vi erkendte, at dette muligvis ikke er tilfældet, da systemstørrelsen falder til kvanteskalaen.

"Der er endnu ikke opnået konsensus om, hvordan man skal gribe termodynamik til i dette såkaldte stærke koblingsregime. Så vi foreslog en formalisme, der er velegnet til undersøgelse af en kvantevarmemotor i regimet med ikke-forsvindende interaktionsstyrke og anvender det på sagen af en firetakts Otto -cyklus.

"Denne fremgangsmåde gjorde det muligt for os at udføre en komplet termodynamisk analyse af energiudvekslingerne omkring cyklussen for alle koblingsstyrker. Vi finder ud af, at motorens ydelse falder, efterhånden som vekselvirkningsstyrken bliver mere mærkbar, og dermed ikke-forsvindende system-reservoir-interaktionsstyrker udgør en vigtig overvejelse i driften af ​​kvantemekaniske varmemotorer. "