Исследователи превращают один атом в квантовый двигатель и квантовый холодильник

Чтобы сделать машину размером с атом, вам нужен квантовый механик.

Вот новая глава в истории миниатюризации машин: исследователи в одной из лабораторий Сингапура показали, что один атом может функционировать как двигатель или холодильник. Такое устройство может быть создано в будущих компьютерах и топливных элементах для управления потоками энергии". Подумайте о том, как в вашем компьютере или ноутбуке есть много вещей, которые нагреваются. Сегодня они охлаждаются с помощью вентилятора, который продувает воздух. В наномашинах или квантовых компьютерах маленькие устройства, которые охлаждают, могут быть чем-то полезным, - говорит Дарио Полетти из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD).

Нанохолодильники и нанодвигатели

Эта работа дает новое понимание механики таких устройств". В работе участвуют исследователи из Центра квантовых технологий (CQT) и физического факультета Национального университета Сингапура (NUS), SUTD и университета Аугсбурга (Германия). Результаты были опубликованы в рецензируемом журнале npj Quantum Information.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Двигатели и холодильники - это машины, описанные в термодинамике, отрасли науки, которая рассказывает нам, как энергия движется внутри системы и как мы можем извлечь полезную работу. Классический двигатель превращает энергию в полезную работу. Холодильник действительно работает на передачу тепла, снижая локальную температуру. В некотором смысле они противоположны.

Люди делали небольшие тепловые двигатели, прежде чем использовать один атом, одну молекулу и алмазные дефекты. Ключевое отличие этого устройства заключается в том, что оно показывает квантовость в своем действии. "Мы хотим понять, как мы можем построить термодинамические устройства, используя всего несколько атомов". Физика не очень хорошо изучена, поэтому наша работа важна для того, чтобы знать, что возможно", - говорит Манас Мукерджи (Manas Mukherjee), главный исследователь CQT, NUS, который руководил экспериментальной работой.

Исследователи изучали термодинамику одного атома бария. Они разработали схему, в которой лазеры перемещают один из электронов атома между двумя энергетическими уровнями как часть цикла, вызывая толкание некоторой энергии в колебания атома. Подобно тому, как двигатель автомобиля потребляет бензин, чтобы двигать поршни и заряжать аккумулятор, атом использует энергию лазеров в качестве топлива для усиления своего вибрационного движения. Вибрации атома действуют как аккумулятор, сохраняя энергию, которая может быть извлечена позже. Переместите цикл назад, и атом действует как холодильник, удаляя энергию из вибраций.

В любом режиме работы квантовые эффекты проявляются в корреляции между состоянием электронов атома и вибрациями. "В этих масштабах передача энергии между двигателем и нагрузкой немного нечеткая. Больше нельзя просто работать с нагрузкой, вы обязаны передавать некоторое количество тепла", - говорит Полетти. Теорию он разработал вместе с сотрудниками фирмы "NUS Physics" Цзянбином Гонгом и Петером Хэнгги в Аугсбурге. Нечеткость делает процесс менее эффективным, но экспериментаторы все же могут заставить его работать.

Мухерджи и его коллеги Ноа Ван Хорн, Дахьюн Юм и Тарун Дутта использовали атом бария, из которого удаляется электрон (отрицательный заряд). Это делает атом положительно заряженным, поэтому его легче держать неподвижно внутри металлической камеры за счет электрических полей. Весь остальной воздух удаляется из окружающего его пространства. После этого атом заряжается лазерами, чтобы пропустить его через четырехступенчатый цикл.

Исследователи измерили вибрацию атома после применения от 2 до 15 циклов. Они повторяли заданное количество циклов до 150 раз, измеряя в среднем, сколько колебательной энергии присутствовало в конце. Они видели, как вибрационная энергия увеличивалась, когда атом подвергался циклу двигателя, и уменьшалась, когда удары следовали за циклом холодильника.

Понимание размера атома включало в себя как сложные расчеты, так и наблюдения. Команде требовалось отследить две термодинамические величины, известные как эрготропия, то есть энергию, которая может быть преобразована в полезную работу, и энтропию, которая связана с расстройством в системе. И эрготропия, и энтропия увеличиваются по мере работы атом-машины. По словам первого автора и аспиранта Ван Хорна, "Свободно говоря, мы сконструировали маленькую машину, которая создает энтропию, так как она наполняется свободной энергией, как дети, когда им дают слишком много сахара". опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet