Nanoskalamotorer langt koldere end selv det dybeste ydre rum

Termodynamikkens teori, almindeligvis forbundet med dampmaskinerne i det 19. århundrede, er et universelt sæt love, der styrer alt fra sorte huller til livets udvikling. Men med moderne teknologier miniaturisere kredsløb til atomær skala, termodynamik skal afprøves i et helt nyt område. I dette rige, kvante- snarere end klassiske love gælder. På samme måde som termodynamik var nøglen til at bygge klassiske dampmaskiner, fremkomsten af ​​kvantekredsløb tvinger os til at genskabe denne teori i kvantetilfældet.

Kvantetermodynamik er et hurtigt voksende felt inden for fysik, men dens teoretiske udvikling er langt forud for eksperimentelle implementeringer. Hurtige gennembrud inden for fremstilling og måling af enheder på nanoskala giver os nu muligheden for at udforske denne nye fysik i laboratoriet.

Mens eksperimenter nu er inden for rækkevidde, de forbliver ekstremt udfordrende på grund af de sofistikerede enheder, der er nødvendige for at kopiere driften af ​​en varmemotor, og på grund af den høje kontrol- og målefølsomhed, der kræves. Dr. Ares' gruppe vil fremstille enheder i nanometerskala, kun et dusin atomer på tværs, og hold dem ved temperaturer langt koldere end selv det dybeste ydre rum.

Disse nanoskalamotorer vil give adgang til hidtil utilgængelige test af kvantetermodynamik, og de vil være en platform til at studere effektiviteten og kraften af ​​kvantemotorer, baner vejen for kvante nanomaskiner. Dr. Ares' vil bygge motorer, hvor "dampen" er en eller to elektroner, og stemplet er en lillebitte halvledertråd i form af et kulstof nanorør. Hun forventer, at udforskningen af ​​dette nye territorium vil have lige så stor fundamental indflydelse på, hvordan vi tænker på maskiner, som tidligere undersøgelser i det klassiske regime har haft.

Hovedspørgsmålet, som Dr. Natalia Ares' nyligt tildelte European Research Council (ERC-projekt) søger at besvare er:hvad er effektiviteten af ​​en motor, hvor udsving er vigtige og kvanteeffekter kan opstå? Implikationerne af at besvare dette spørgsmål spænder vidt og kunne for eksempel informere studiet af biomotorer eller design af effektive on-chip nanomaskiner. Denne forskning kunne også afdække unik adfærd, der åbner vejen for nye teknologier, såsom nye køle- og sensorteknikker på chip eller innovative metoder til at høste og lagre energi. Ved at udnytte udsving, kravene til at bevare kvanteadfærd kan blive mindre krævende.

Dr. Ares' resultater vil have anvendelse i både klassisk og kvantecomputere. På samme måde som Joules eksperiment viste, at bevægelse og varme var gensidigt udskiftelige, Dr. Ares sigter mod at forbinde bevægelsen af ​​et kulstofnanorør med varmen og arbejdet produceret af enkelte elektroner. Hun er begejstret for at udnytte enheder med unikke egenskaber til at opdage kvantetermodynamikkens særegenheder.