Предложиха нова технология за създаването на квантов двигател, базиран на магнитни полета и свръхстудени атоми

Квантовата механика е една от най-изненадващите и загадъчни области на физиката. Тя изучава поведението на частиците в най-малките мащаби, където обичайните природни закони губят своята сила. Квантовата механика открива нови възможности за създаване и използване на квантовите технологии. Една от тези технологии е квантов двигател, който може да работи на базата на свръхстуден облак от атоми. Тук ще обърнем внимание върху един нов експеримент, проведен от група учени от Германия и Швейцария, които успяха да създадат и задействат такъв двигател.

Квантовият двигател, задвижван от свръхстуден облак от атоми, може да бъде източник на енергия за други квантови технологии. Този двигател използва постоянната промяна на фундаменталната квантова природа на частиците, от които е съставен. Това го отличава от съществуващите устройства, които работят на базата на класическите принципи.

Всички известни частици могат да се разделят на две категории: фермиони и бозони, които имат различен спин. Поведението им в големи групи зависи от това към коя категория принадлежат. Фермионите са частици, които не могат да заемат едно и също квантово състояние. Примери за фермиони са електроните, протоните и неутроните. Бозоните са частици, които могат да съществуват в едно и също квантово състояние. Примери за бозони са фотоните, глуоните и мезоните.

Разликата между тези два вида частици е особено забележима при много ниски температури. При тези условия частиците проявяват свойствата на свръхпроводимост или свръхфлуидност. Свръхпроводимостта е явление, при което даден материал напълно губи съпротивлението си към електрическия ток. Свръхфлуидността е явление, при което течността тече без каквото и да било триене.

Екип от учени от университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германия, ръководен от професор Артур Видер съвместно с физика-теоретик Одед Силберберг, е открил начин за създаване на двигател от набор от атоми, като ги кара да се държат или като бозони, или като фермиони.

За целта са използвани няколкостотин хиляди литиеви атома, охладени до температура, която е на части от градуса от абсолютната нула. Под въздействието на внимателно настроени магнитни полета литиевите атоми се държат първо като група фермиони, но след като образуват двойки, подобни на молекули, започват да се държат като група бозони.

Учените започват с набирането на бозонни двойки атоми. Те първо ги компресират, а след това ги превръщат в съвкупност от фермиони, което увеличава колективната им енергия. След това Видера и колегите му позволили на атомите да се разширят. Те също така променили магнитните полета, за да реконструират атомните двойки и да ги върнат в бозонно състояние – което намалило общата им енергия.

По този начин учените използват атомите като „работната среда“ в конвенционалните двигатели, където работата се извлича чрез повтарящ се цикъл на компресия и разширяване на средата. Понастоящем квантовият двигател, базиран на свръхстудени атоми, има ефективност от около 25%, но Видера казва, че учените могат да я подобрят.

„Не че искаме да караме следващия Mercedes Benz с квантов двигател, но за първи път показахме, че е възможно да се задейства двигател, използвайки чисто квантова форма на енергия“, казва той.

Себастиан Дефнер от Университета на Мериленд, окръг Балтимор, отбелязва, че разликата между фермионите и бозоните е квантово свойство, което не може да се използва в конвенционалните автомобили, като по този начин новият двигател се различава от всички досегашни устройства. Тази разлика го превръща в истински квантов ресурс и предстои да видим дали може да бъде използван по технологично изгоден начин, казва още той.

Ако успеят да се превърнат в по-практични, квантовите двигатели евентуално биха могли да се използват за зареждане на други устройства, като например квантови батерии, казва Габриеле Де Киара от Кралския университет в Белфаст, Великобритания. Той казва, че те биха могли да се използват и „в обратна посока“ за охлаждане на устройства като квантовите компютри, които са известни с това, че правят повече грешки при повишаване на температурата.

Казано по опростено

Тази технология работи на базата на квантовия преход между два вида частици: фермиони и бозони. Фермионите са частици, които не могат да заемат едно и също квантово състояние, а бозоните са частици, които могат. Това означава, че фермионите имат повече потенциална енергия от бозоните, заемащи същия обем.

Учените използват литиеви атоми, които могат да се превръщат от единия вид в другия с помощта на магнитни полета. Когато литиевите атоми образуват двойки, те се превръщат в бозони, а когато се разделят, стават фермиони. Това позволява на учените да променят енергията на атомите в зависимост от това какъв тип частици представляват.

За да създадат двигателя, учените са следвали следните стъпки:

• Компресират облак от бозонни двойки литиеви атоми, като намаляват обема му.
• Преобразуват бозоните във фермиони с помощта на магнитни полета, като увеличават тяхната енергия.
• Разширяват облака от фермиони, като увеличават обема му.
  Превръщат фермионите обратно в бозони с помощта на магнитни полета, като по този начин намаляват тяхната енергия.

Този цикъл се повтаря многократно и всеки път част от енергията се освобождава като работа. Тази работа може да се използва за зареждане или охлаждане на други квантови устройства. По този начин квантовият двигател превръща квантовото свойство на частиците в полезна енергия.

Квантовият преход

Квантовият преход е явление, при което квантова система, например атом, молекула или атомно ядро, променя състоянието си от едно енергийно ниво в друго. Това става по скокообразен начин, т.е. без междинни състояния. Квантовият преход може да бъде придружен от излъчване или поглъщане на фотони, т.е. кванти светлина. Квантовият преход се различава от класическия фазов преход, който настъпва при промяна на температурата или налягането и включва топлинни флуктуации. Квантовият преход може да настъпи при нулева температура и зависи само от външни параметри, като например магнитно поле или налягане. Квантовите преходи са важни за квантовата механика, квантовата химия, квантовата оптика и квантовите технологии.