Den eksperimentelle demonstration af en spin -kvantevarmemotor

Den teoretiske forestilling om en 'kvantevarmemotor' har eksisteret i flere årtier. Det blev først introduceret for omkring tres år siden af ​​Scovil og Schulz-DuBois, to fysikere på Bell Labs, der tegnede en analogi mellem maskere på tre niveauer og termiske maskiner.

I årene der fulgte, andre forskere har udviklet en række teorier, der bygger på ideerne fra Scovil og Schulz-DuBois, introducere forslag til termodynamiske cyklusser i kvanteskalaen. For nylig, fysikere er begyndt at teste nogle af disse teorier i eksperimentelle omgivelser.

Et af disse forsøg blev udført af et team af forskere ved University of Waterloo, Universidade Federal do ABC og Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, der med succes demonstrerede en spin -kvantevarme -motor i et laboratorium. Deres papir, udgivet i Fysik Review Letters , skitserer implementeringen af ​​en varmemotor baseret på et spin-1/2 system og nuklear magnetisk resonans teknikker.

"Den såkaldte 'kvantetermodynamik' er i øjeblikket under udvikling, "Roberto Serra, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette nye felt er også forbundet med udviklingen inden for kvanteteknologi, som lover en slags ny industriel revolution på nanoskala med forstyrrende enheder til beregning, meddelelse, sensorer, etc."

I deres eksperiment, Serra og hans kolleger har med succes implementeret en principiel kvantevarmemotor ved hjælp af et nuklear spin placeret i et chloroformmolekyle og nuklear magnetisk resonans teknikker. Forskerne manipulerede specifikt nukleare spin af en Carbon 13 -isotop ved hjælp af et radiofrekvensfelt, i sidste ende producere en Otto -cyklus (dvs. den termodynamiske cyklus, der bruges i de fleste almindelige motorer).

"Energiforskellen mellem de to mulige nukleare spin -tilstande (lad som sagt sige op og ned) blev øget og reduceret på samme måde som en stempeludvidelse og kompression i en bilmotor, "Serra forklaret." Under nogle betingelser, atomspinnene i molekylet kan absorbere og frigive varme fra/til radiobølger. "

Energisvingninger spiller en afgørende rolle i det kvantscenario, som Serra og hans kolleger fokuserede på. Måling af disse udsving i en termodynamisk cyklus, imidlertid, er en ekstremt udfordrende opgave, som forskerne overraskende var i stand til at fuldføre. De fandt ud af, at når de udførte en kvante Otto -cyklus ved maksimal effekt, deres kvantevarmemotor kunne opnå en effektivitet for arbejdsudvinding på η≈42%, som er meget tæt på dens termodynamiske grænse (η =44%).

"I det nuværende eksperiment, vi var i stand til at karakterisere alle energisvingninger i arbejde og varme, udover irreversibiliteten på kvanteskalaen, "John Peterson, en af ​​medforfatterne af undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Hurtig drift af vores molekylære maskine producerer overgange mellem centrifugeringsenergien, som er relateret til det, vi kalder 'kvantefriktion', der reducerer ydeevnen. Denne form for friktion er også forbundet med en stigning i entropi. På den anden side, en meget langsom drift (der reducerer kvantefriktion) vil ikke levere en betydelig mængde ekstraheret effekt. Så, det bedste scenarie er at forene en vis mængde strøm med lave mængder kvantefriktion eller entropiproduktion, på samme måde som hvad moderne teknik gør i bilers motorer. "

Undersøgelsen udført af Serra og hans kolleger er blandt de første til eksperimentelt at demonstrere en proof-of-concept spin-kvantevarme-motor. Denne proof-of-concept varmemotor kunne i sidste ende informere fremtidige undersøgelser, der undersøger funktionen og potentialet for kvante termiske maskiner.

"I vores eksperiment, den lille spin -motor når en effektivitet tæt på sin termodynamiske grænse ved maksimal effekt, hvilket er meget bedre end hvad bilmotorer kan i dag, "Serra sagde." Kvantespinsmotoren ville ikke være særlig nyttig i praksis, da det producerede arbejde ville levere en meget lille mængde energi til radiobølger. Det ville kun være tilstrækkeligt at ændre endnu et atomspin. Vi er mere interesserede i at måle, hvor meget energi den bruger, hvor meget varme det spilder, og hvor meget entropi der produceres under drift. "

I deres fremtidige arbejde, Serra og hans kolleger håber også på at identificere måder at optimere driften af ​​små kvante termiske maskiner, demonstrere deres effektivitet i virkelige eksperimenter. Dette kan i sidste ende hjælpe med at bygge mere avancerede kvantekøleskabe, der kan implementeres i nye kvantecomputere.

© 2019 Science X Network