Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

По мере того, как электронные устройства становятся все меньше, технология систем, которые обеспечивают их работу, тоже должны становиться все меньше и тоньше. Одной из ключевых задач, стоящих перед учеными при разработке этой технологии, является поиск материалов, которые могут хорошо работать при ультрамалых размерах.

Люди создали большие тепловые двигатели, прежде чем использовать один атом, одну молекулу и дефекты в алмазе.

Эксперименты с одноатомным устройством помогают исследователям понять, какие квантовые эффекты проявляются, когда механизм сокращается до атомного масштаба и определить область его применения.

И вот новая глава в истории миниатюризации машин: исследователи в лаборатории в Сингапуре показали, что один атом может функционировать как двигатель или холодильник. Такое устройство может быть встроено в будущие компьютеры и топливные элементы для управления потоками энергии.

Перспективные исследования наноразмерных устройств

Наше зеленое будущее может опираться на устройства преобразования энергии в масштабах и температурах, где квантовые эффекты становятся актуальными или даже доминирующими. Таким образом, наноразмерные тепловые двигатели и холодильники являются особо перспективным направлением исследований. Чтобы проложить путь к технологическим прорывам, исследователи определили ряд фундаментальных вопросов, даже исследуя обоснованность и уместность термодинамических концепций на наноуровне.

В любом режиме работы квантовые эффекты проявляются в корреляциях между электронными состояниями атома и колебаниями. При таких масштабах передача энергии между двигателем и нагрузкой немного размыта. Нечеткость делает процесс менее эффективным, но экспериментаторы все, же могут заставить его работать.

Действительно, в последние годы были проведены плодотворные исследования, посвященные изучению влияния дискретности уровней энергии, квантовой статистики, квантовой адиабатичности, квантовых измерений, когерентности и запутанности на работу циклов тепловых двигателей в различных экспериментальных установках, включая захваченные ионы, вакансии азота, трансмонитные кубиты и более. Модели квантовых тепловых двигателей также использовались в качестве платформы для исследования термодинамики, лежащей в основе преобразования энергии в наноразмерном диапазоне за предел слабой связи или при наличии корреляции между двигателем и нагрузкой. Приложения квантовой термодинамики, и в частности охлаждения, были исследованы в области квантовых вычислений.

Сингапурскими учеными проведены исследования по созданию одноатомного квантового устройства преобразования энергии, работающего как двигатель или холодильник, связанный с квантовой нагрузкой. «Рабочая жидкость» состоит из двух оптических уровней иона, а нагрузка является одной из его колебательных мод, охлажденных до квантового режима. Определена эрготропия нагрузки, которая указывает максимальное количество энергии нагрузки, извлекаемой с использованием только унитарных операций. Установлено, что эрготропия возрастает с увеличением количества циклов двигателя, несмотря на увеличение информационной энтропии нагрузки. Увеличение эрготропии нагрузки указывает на возможность использования фононного распределения одного атома в качестве формы квантовой батареи.

«Подумайте о том, как в вашем компьютере или ноутбуке есть много вещей, которые нагреваются. Сегодня вы охлаждаете это с помощью вентилятора, который выдувает воздух. В наномашинах или квантовых компьютерах небольшие устройства, которые охлаждают, могут быть чем-то полезным», - говорит Дарио Полетти из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD).

Ученые использовали атом бария, из которого удален электрон (отрицательный заряд). Это делает атом положительно заряженным, так что его легче удерживать внутри металлической камеры с помощью электрических полей. Весь остальной воздух удаляется вокруг него. Затем атом защелкивается лазерами, чтобы продвинуть его через четырехступенчатый цикл.

Термодинамика на квантовом уровне

Выполненная работа дает новое понимание механики наномашин. Работа представляет собой сотрудничество с участием исследователей из Центра квантовых технологий (CQT) и физического факультета Национального университета Сингапура (NUS), SUTD и Университета Аугсбурга в Германии.

Двигатели и холодильники - это машины, описываемые термодинамикой, отраслью науки, которая говорит нам, как энергия движется в системе и как мы можем извлечь полезную работу. Классический двигатель превращает энергию в полезную работу. Холодильник работает для передачи тепла, снижая местную температуру. В некотором смысле они противоположны.

Понимание машины размером с атом состояло из сложных вычислений и наблюдений. Команде нужно было отследить две термодинамические величины, известные как эрготропия, то есть энергия, которая может быть преобразована в полезную работу, и энтропия, которая связана с беспорядком в системе. Эрготропия и энтропия возрастают при работе атома. Есть все еще простой способ смотреть на это, грубо говоря, они разработали небольшую машину, которая создает энтропию, поскольку она наполняется свободной энергией.

Ключевым отличием этого устройства является то, что оно демонстрирует квантовость в своем действии. «Мы хотим понять, как мы можем создавать термодинамические устройства с несколькими атомами. Физика не совсем понятна, поэтому нашей работе важно знать, что возможно», - говорит Манас Мукерджи, главный исследователь CQT, NUS, который возглавлял экспериментальная работа.

Исследователи изучили термодинамику одного атома бария. Они разработали схему, в которой лазеры перемещают один из электронов атома между двумя энергетическими уровнями как часть цикла, заставляя некоторую энергию обеспечивать вибрации атома. Подобно тому, как автомобильный двигатель потребляет бензин для перемещения поршней, так и атом использует энергию лазеров в качестве «топлива» для увеличения своего вибрирующего движения. Вибрации атома действуют как батарея, сохраняя энергию, которая может быть извлечена позже. Переставьте цикл, и атом действует как холодильник, удаляя энергию за счет вибраций.

Исследователи измерили вибрацию атома после применения от 2 до 15 циклов. Они повторяли заданное количество циклов до 150 раз, измеряя в среднем, сколько энергии вибрации присутствовало в конце. Они могли видеть вибрационную энергию, увеличивающуюся, когда атом двигался с помощью цикла двигателя, и уменьшающуюся, когда скачки следовали за циклом холодильника.

Команда физиков создала самый маленький работающий двигатель в мире из одного электрически заряженного атома

 

 

 

Исследования продолжаются

Это прорывное исследование, ставшее ранее лишь предположением великого физика Ричарда Фейнмана, который представлял крошечные двигатели, работающие на одноатомном уровне, является воплощением этой фантастической мечты. Но более того, новое устройство может найти целый ряд инновационных практических применений, например, в одноионных холодильниках и насосах (в частности, поскольку процесс может быть обращен вспять для отвода тепла).

С точки зрения квантовой физики, система могла бы - с несколькими соответствующими модификациями - позволять изучать небольшие квантовые машины и исследовать квантовые эффекты в термодинамике, такие как квантовая когерентность (такая, как описанная в квантовых системах переноса энергии), а также обеспечение средств для проверки предсказаний квантовой теории ресурсов.

Экспериментальные исследования циклов квантового двигателя призваны четко оценить соответствие либо отсутствие циклов между классическим и квантовым термодинамическими циклами двигателя.

Одним из важных направлений исследований является то, как охарактеризовать термодинамические свойства квантового двигателя, работающего в общем сценарии, например, когда двигатель и нагрузка сильно связаны, и / или когда используемые ванны не являются тепловыми. Эта экспериментальная работа направлена на то, чтобы установить важный рубеж в понимании циклов преобразования энергии в один атом, действующих на квантовую нагрузку.