James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019
Фізики з Великобританії та Ізраїлю побудували перший квантовий тепловий двигун, ефективність якого перевищує максимальну ефективність класичного теплового двигуна. В якості робочого тіла такого двигуна виступають два когерентних енергетичних рівня NV-центру з найменшою енергією, а в якості теплових резервуарів — збуджені рівні. Роботу, чинену двигуном, вчені вимірювали за допомогою мікрохвильових імпульсів. Стаття опублікована в Physical Review Letters, коротко про неї сообщаетРһуѕісѕ, препринт роботи викладений на сайті arXiv.org.
Класичний тепловий двигун перетворює тепло в роботу, періодично нагріваючи і охолоджуючи робоче тіло. В рамках класичної термодинаміки можна показати, що максимальним коефіцієнтом корисної дії (ККД) серед теплових двигунів має двигун Карно цикл якого складається з періодів ізотермічного та адіабатичного розширення і стиснення. На практиці ефективність теплових двигунів, що працюють при порівнянних температурах нагрівача і холодильника, значно нижче, ніж у двигуна Карно. Зокрема, ККД парових машин приблизно в два рази менше максимального досяжного ККД.
Теоретично ефективність теплового двигуна можна підвищити за рахунок квантових ефектів, які не враховує класична термодинаміка. Першими таку можливість розглянули близько шістдесяти років тому фізики Генрі Сковил (Henry Scovil) і Еріх Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), які зв’язали ефективність трирівневого мазера з ефективністю циклу Карно. А в 2015 році група фізиків під керівництвом Раама Уздина (Raam Uzdin) нарешті розробила схему квантового двигуна, ефективність якого перевищує ефективність циклу Карно. Для цього вчені розглянули двигун, який працює в так званому режимі малого дії (small-action limit), тобто здійснює за цикл роботу, малу в порівнянні з постійної Планка. У цьому режимі кореляції між енергетичними рівнями двигуна відіграють важливу роль, а тому можуть істотно підвищити його ефективність. Втім, підтвердити це припущення на практиці фізики не змогли.
Група вчених під керівництвом Джеймса Клатцова (James Klatzow) нарешті перевірила припущення групи Уздина і побудувала квантовий двигун, ефективність якого перевищує ефективність класичного двигуна, що працює в тих же умовах. Щоб побудувати такий двигун, фізики використовували NV-центри — точкові дефекти алмаза, які виникають при заміщенні атома вуглецю атомом азоту. З одного боку, такий центр веде себе як водородоподобный атом; з іншого боку, його заселеність енергетичних рівнів зручно контролювати і вимірювати з допомогою спалахів лазера. У зовнішньому магнітному полі NV-центр можна розглядати як когерентний магнітний двигун, в якому два рівня з найнижчою енергією виступають в якості робочого тіла, а збуджені рівні моделюють теплові резервуари з різними температурами. Щоб зв’язати робоче тіло з тепловими резервуарами і витягти з нього роботу, вчені світили на NV-центр оптичним і мікрохвильовим лазером. Крім того, вчені контролювали когерентність двох квантових станів робочого тіла на початку кожного циклу, змінюючи тривалість «теплового» лазерного імпульсу.
Схема експерименту (a) і фотографія установки (b)
James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019
Схема квантового теплового двигуна, заснованого не NV-центрі у зовнішньому магнітному полі
James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019
У цій схемі вчені реалізували три типи квантових теплових двигунів: безперервний, двофазний і чотирифазний. У двигуні першого типу передача тепла і зв’язок з тепловими резервуарами відбувається одночасно і безперервно; цей режим найбільше нагадує квантовий двигун Сковила-Шульца. У двигуні другого типу витяг роботи відокремлене від передачі тепла, проте зв’язок з холодним і гарячим резервуарами відбувається в один і той же час. Нарешті, в двигуні третього типу всі операції проводяться послідовно (як в двигуні Карно). У класичному межі це пристрій переходить в двигун Отто. Всі три двигуни працювали в режимі малого дії, тобто добуток тривалості циклу і середній роботи, яка протягом нього вироблялася, було багато менше постійної Планка.
Схема безперервного, двофазного і чотирифазного двигунів. Червоні і сині стрілки позначають зв’язок з «гарячим» і «холодним» тепловим резервуаром, оператор U — вилучення роботи
James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019
Поділитися
Нарешті, фізики виміряли потужність квантових двигунів і середня кількість роботи, яку вони здійснювали за один цикл. Виявилося, що в режимі малого дії і когерентних енергетичних рівнів робочого тіла всі три двигуни були термодинамічно еквівалентні, тобто здійснювали однакову кількість роботи. Більш того, їх ефективність перевищувала граничну ефективність класичного теплового двигуна, який працював в тих же умовах. За оцінками вчених, розбіжність між ККД, виміряному в цьому режимі, і «максимальним» ККД становило 2,4 сигма (p-value
Потужність когерентного двофазного двигуна (a) і середня робота, чинена за цикл (b), в залежності від довжини «теплової» фази, руйнує когерентний стан. Червоними крапками відмічені дані експерименту, червоною лінією — теоретична залежність. Для порівняння наведені теоретичні обмеження на аналогічні параметри класичного теплового двигуна (синя лінія)
James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019
Автори статті зазначають, що побудований ними квантовий тепловий двигун поки ще дуже складно застосовувати на практиці. Зокрема, тому, що вчиняються ним робота «пропадає даремно» і вимірюється тільки побічно. Тим не менш, фізики сподіваються, що їх робота зацікавить інших дослідників, які побудують більш досконалі квантові теплові двигуни. Крім того, вчені сподіваються, що їх стаття допоможе розібратися, як працюють природні мікроскопічні теплові двигуни, наприклад фотосинтетичний апарат.
Варто відзначити, що на архів електронних препринтів фізики виклали роботу ще в жовтні 2017 року. Тому, незважаючи на те, що до рецензованого журналу вона дісталася тільки на цьому тижні, її вже встигли процитувати в 13 нових статтях.
У листопаді 2017 року фізики з Бразилії та Німеччині виявили, що кореляції між квантовими станами можуть «порушити» другий закон термодинаміки. Для цього вчені скоррелировали спини двох атомів, що знаходяться в теплових станах з різними температурами, і показали, що в такій системі тепло тече від «холодного» атома до «гарячого», а ентропія системи зменшується. Втім, другий закон термодинаміки це не порушує, оскільки взаємна інформація атомів в ході процесу зменшується, а «сумарна разупорядоченность» в цілому зростає.
Дмитро Трунін
