I ricercatori hanno sviluppato potenti micromotori per realizzare il ciclo Otto nel mondo quantistico

Un motore classico converte un tipo di energia (come il calore) in lavoro meccanico. Queste leggi possono essere applicate anche a una micro macchina con un solo atomo di cesio, migliorando così l'efficienza del lavoro? Il team di ricerca della Technische Universität Kaiserslautern guidato dal professore di fisica Dr. Arthur Widla ha fornito prove. Inoltre, con l'aiuto della cassetta degli attrezzi quantistica, gli scienziati sono in grado di far funzionare le macchine in modo stabile, anche se le fluttuazioni sono onnipresenti nel mondo quantistico.

Il lavoro di ricerca correlato è stato ora pubblicato sulla rivista Nature Communications (& quot;Un motore termico quantistico guidato da collisioni atomiche").

I motori elettrici tradizionali seguono le leggi della termodinamica. Ad esempio, quando si accende la benzina, il pistone converte l'energia termica in energia cinetica. Il team di ricerca di Widera', in collaborazione con il professor Eric Lutz dell'Università di Stoccarda, ha trasferito questi principi di base nel mondo dei quanti e ha risolto i problemi di base della termodinamica nella meccanica quantistica.

Ma come è stato costruito un tale motore quantistico in primo luogo? I ricercatori hanno scelto uno speciale dispositivo sperimentale. In primo luogo, il gas degli atomi di rubidio è stato raffreddato fino a raggiungere quasi lo zero assoluto per ridurre al minimo le fluttuazioni termiche. Questa minuscola macchina è composta da un singolo atomo di cesio. Il carburante che guida la macchina è il momento angolare degli atomi di rubidio, chiamato spin. Quando gli atomi di cesio e rubidio si scontrano, scambiano calore e ruotano a livello quantistico.

Il primo autore dello studio e dottorando Jens Nettersheim ha spiegato che la direzione di rotazione può essere modificata in due direzioni, verso l'alto o verso il basso. Nel nostro sistema, questo rappresenta il calore. E freddo, con conseguente differenza termica. Quando si verifica la cosiddetta collisione di scambio di spin, le direzioni di spin degli atomi di cesio e rubidio in collisione si inclineranno in direzioni opposte. Alla temperatura ultrabassa data dal nostro sistema, possiamo controllare la direzione del cambiamento di spin in ogni collisione. Inoltre, abbiamo sostituito il movimento del pistone che converte l'energia del sistema con un campo magnetico variabile. Utilizzando queste analogie per lo scambio di calore e il movimento del pistone, i fisici hanno realizzato con successo il ciclo Otto del mondo quantistico.

Nel processo, il team di ricerca supera una sfida che in precedenza era considerata insormontabile: le proprietà o gli stati delle particelle quantistiche di solito non possono essere determinati chiaramente, ha spiegato Widera. In altre parole, possiamo misurarli, ma non possiamo mai prevedere con certezza l'esito di una singola misurazione. Posso solo determinare la probabilità di occorrenza della proprietà osservata. È questa"ambiguità" o la fluttuazione dei risultati delle misurazioni che finora ha portato la comunità scientifica a dubitare che il motore termico quantistico possa fornire in modo affidabile potenza costante ad alta efficienza. Widera ha detto che voglio fondamentalmente escludere la possibilità che il motore oscilli avanti e indietro in modo incontrollabile tra diversi livelli di potenza.

Nelle collisioni di scambio di spin, si verificano fluttuazioni, ma il team di ricerca ha scoperto che nel tempo gli spin degli atomi di cesio si saturano. In altre parole, rimarranno in uno stato dopo un periodo di tempo, quindi le fluttuazioni possono essere controllate. Rispetto al"classico" motore termico, l'atomo raggiunge uno stato eccitato più elevato in questo processo. Questa è la chiave per il funzionamento efficiente di un motore termico quantistico. Oltre ai vantaggi della soppressione delle fluttuazioni, questa tecnica quantistica consente anche alla nostra macchina quantistica di convertire più energia in un ciclo, che è superiore alla capacità termodinamica di una macchina quantistica che funziona a due diverse temperature in una macchina classica tradizionale.

Il motore termico quantistico sviluppato dai ricercatori rilascia un'elevata potenza continua durante il funzionamento stabile e l'efficienza è molto elevata. Il team di ricerca di Widera'con il supporto teorico del professor Lutz, ha portato con successo la termodinamica a livello quantistico, aprendo ulteriormente le porte all'applicazione della termodinamica quantistica.