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研究人员开发出功能强大的微型电机 实现量子世界中的奥托循环


经典电动机把一种能量(如热)转换成机械功。这些定律是否也能应用到只有一个铯原子的微型机器上,从而提高工作效率?物理学教授阿瑟·威德拉博士领导的Technische Universität Kaiserslautern研究小组提供了证据。此外,在量子工具箱的帮助下,科学家们能够稳定地运行机器,尽管在量子世界中波动是无处不在的。
相关研究工作现已发表在《自然通讯》杂志上(《A quantum heat engine driven by atomic collisions》)。

传统动力引擎遵循热力学定律。例如,汽油点燃时,活塞将热能转化为动能。Widera的研究小组与斯图加特大学的Eric Lutz教授合作,已经将这些基本原理转移到了量子世界,解决了量子力学中热力学的基本问题。

但是,这样的量子引擎首先是如何建立起来的呢?研究人员选择了一种特殊的实验装置,首先将铷原子的气体冷却到几乎绝对零度,以最小化热波动。这个微型机器是由单个的铯原子组成的,驱动机器的燃料是铷原子的角动量,这叫做自旋。当铯和铷原子碰撞时,它们交换热量并在量子水平上自旋。

该研究的第一作者、博士生延斯·奈特斯海姆(Jens Nettersheim)解释说,自旋方向可以在两个方向上改变,向上或向下,在我们的系统中,这代表着热和冷,从而产生了热差。当所谓的自旋交换碰撞发生时,碰撞的铯和铷原子的自旋方向会向相反的方向倾斜。在我们的系统给定的超低温下,我们可以控制每一次碰撞中自旋的变化方向。此外,我们用变化的磁场取代了转换系统能量的活塞运动。利用这些类比来进行热交换和活塞运动,物理学家们成功地实现了量子世界的奥托循环。
在这个过程中,研究小组克服了一个以前被认为是不可克服的挑战:量子粒子的属性或状态通常不能被明确地确定,Widera解释道。换句话说,我们可以测量它们,但我们永远不能确定地预测单一测量的结果。我只能确定所观察到的性质发生的概率。正是这种测量结果的“模糊性”或波动,迄今为止导致科学界怀疑量子热机能否可靠地提供高效率的恒定功率。Widera表示,我想从根本上排除引擎在不同功率级别之间不受控制地来回波动的可能性。

在自旋交换碰撞中,会发生波动,但研究小组发现随着时间的推移,铯原子的自旋饱和。换句话说,它们会在一段时间后保持一种状态,所以波动是可以控制的。与“经典”热机相比,原子在这个过程中达到了更高的激发态。这是量子热机高效运作的关键。除了抑制波动的优点外,这种量子技巧还允许我们的量子机器在一个周期内转换更多的能量,这比在传统的经典机器中在两个不同温度下运行量子机器的热力学能力要高。

研究人员开发的量子热机在稳定运行的同时释放出持续的高功率,而且效率非常高。Widera的研究小组,在Lutz教授的理论支持下,成功地将热力学带入量子层面,进一步打开了量子热力学应用的大门。

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