Ученые разработали первый квантовый двигатель
На схематическом изображении двигатель использует термодинамические изменения для производства работы. Например, когда газ воспламеняется, он расширяется и толкает поршень. Теперь исследователям удалось разработать аналогичный двигатель, но вместо использования взаимосвязи между температурой, давлением и объемом новое устройство использует квантовую механику. Исследование опубликовано в журнале Nature.
В квантовом двигателе используется газ, который может превращаться из фермионного газа в бозонный. Фермионы и бозоны — это способ разделить все частицы на две категории. Их различие обусловлено свойством, называемым спином, собственным угловым моментом. Фермионы имеют дробное значение (1/2, 3/2), а бозоны имеют целочисленный спин (0, 1, 2, ...).
Есть еще одно отличие, которое имеет значение и в движке: принцип исключения Паули. И это относится только к фермионам.
Этот принцип гласит, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это приводит к тому, что фермионы становятся весьма антисоциальными, отталкиваясь друг от друга. С другой стороны, бозоны могут плотно слипаться, и если их достаточно охладить, бозоны превратятся в конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). В этом так называемом пятом состоянии материи бозоны действуют как единая квантовомеханическая сущность.
В случае с квантовым двигателем исследователи использовали чрезвычайно холодные атомы лития и подход, называемый резонансом Фешбаха. Это позволяет системе находиться в БЭК с небольшим объемом и поршнем, нажимающим вниз; когда БЭК превращается в фермионный газ, его объем расширяется, отталкивая поршень.
«Чтобы превратить фермионы в бозоны, можно взять два фермиона и объединить их в молекулу. Эта новая молекула — бозон. Разрушение его позволит нам снова получить фермионы. Делая это циклически, мы можем привести двигатель в действие без использования тепла», — заявил соавтор Томас Буш, руководитель отдела квантовых систем Окинавского института науки и технологий.
Сотрудники из Германии фактически построили экспериментальную установку, чтобы проверить, возможно ли построить такой двигатель. И оказывается, вы вполне можете это сделать — их устройство достигло эффективности 25 процентов. Возможно, это не такая уж невероятная цифра, но она не так уж далека от двигателя среднего автомобиля, который может выдавать 40 процентов. В будущих прототипах эффективность может быть повышена.
«Хотя эти системы могут быть очень эффективными, мы только провели проверку концепции вместе с нашими экспериментальными сотрудниками», — объяснил соавтор Кирти Менон. «На пути создания полезного квантового двигателя все еще остается много проблем».
К сожалению, не следует ждать появления автомобиля с квантовым двигателем в ближайшее время. Систему необходимо поддерживать при очень низких температурах, а это требует много энергии. Исследователям предстоит много работы, поскольку они изучают, как улучшить и рассматривают потенциальные применения такой технологии.
