Създаден е квантов топлинен двигател с близък до пределния КПД

Международен екип учени представиха експериментален спинов квантов топлинен двигател, работещ в молекулата на хлороформа. Още при първия експеримент бе получен КПД близък до термодинамичния предел.

Идеята за квантов топлинен двигател бе предложена още преди около 60 години от физиците от лабораторията Bell, които направиха аналогия между мазер с три енергийни нива и топлинните двигатели. През следващите години теоретичната част на всички процеси от подобен тип бяха допълнително разгледани, анализирани и разработени, като учените добавиха в теорията термодинамични цикли в квантова мащаб. Едва в наши дни физиците започнаха да проверяват част от тези теории в практически експерименти.

Един от тези експерименти бе проведен преди няколко дни от екип изследователи от университета Уотърлу, Канада и федералния университет ABC, Бразилия. Те успешно демонстрираха квантов топлинен двигател в лабораторни условия.

В прототипа на квантовия топлинен двигател е използван ядрения спин в молекулата на хлороформа и метода на ядрения магнитен резонанс. С помощта на радиочестотно поле те управляват ядрения спин на изотопа въглерод-13. В крайна сметка се получава цикъла на Ото – термодинамичен цикъл, който се използва в повечето обикновени двигатели.

„Разликата в енергията между двата възможни ядрени спина се повишава и понижава подобно на постъпателното движение на буталото в двигателя на автомобилите с ДВГ“ – споделя Роберто Сера, един от изследователите. „В тези условия ядрените спинове на молекулите абсорбират енергията на радиовълните и отново я връщат във вид на радиовълни“.

Флуктуациите на енергия играят важна роля в този квантов сценарий. Една от най-сложните задачи в този експеримент е била измерването на тази флуктуация в термодинамични я цикъл. Но тя е решена успешно.

учените откриха, че квантовият топлинен двигател с цикъла на Ото демонстрира КПД от 42% – тоест, почти на границата на термодинамичния предел (44%).

Създаването на този двигател разкрива пътя към ново развитие на квантовите технологии и създаването на компютри и устройства за комуникации от съвсем нов тип.