研究者たちは、量子世界でオットーサイクルを実現するための強力なマイクロモーターを開発しました

古典的なモーターは、ある種のエネルギー（熱など）を機械的な仕事に変換します。 これらの法則は、セシウム原子が1つしかないマイクロマシンにも適用でき、それによって作業効率が向上しますか？ 物理学教授のアーサー・ウィドラ博士が率いるカイザースラウテルン工科大学の研究チームが証拠を提供しました。 さらに、量子ツールボックスの助けを借りて、科学者は、変動が量子の世界に遍在している場合でも、機械を安定して実行することができます。

関連する研究成果がNatureCommunications誌に掲載されました（& quot;原子衝突によって駆動される量子熱機関& quot;）。

従来のパワーエンジンは、熱力学の法則に従います。 たとえば、ガソリンが点火されると、ピストンは熱エネルギーを運動エネルギーに変換します。 Widera &＃39;の研究チームは、シュトゥットガルト大学のEric Lutz教授と協力して、これらの基本原理を量子世界に移し、量子力学における熱力学の基本的な問題を解決しました。

しかし、そもそもそのような量子エンジンはどのように構築されたのでしょうか。 研究者たちは特別な実験装置を選びました。 まず、熱ゆらぎを最小限に抑えるために、ルビジウム原子のガスをほぼ絶対零度に冷却しました。 この小さな機械は、単一のセシウム原子で構成されています。 機械を動かす燃料は、スピンと呼ばれるルビジウム原子の角運動量です。 セシウムとルビジウムの原子が衝突すると、それらは熱を交換し、量子レベルで回転します。

この研究の筆頭著者で博士課程の学生であるイェンス・ネッタースハイムは、スピンの方向を上または下の2つの方向に変えることができると説明しました。 私たちのシステムでは、これは熱を表しています。 そして寒いので、熱差が生じます。 いわゆるスピン交換衝突が発生すると、衝突するセシウム原子とルビジウム原子のスピン方向が反対方向に傾きます。 私たちのシステムによって与えられた超低温で、私たちは各衝突におけるスピン変化の方向を制御することができます。 さらに、システムのエネルギーを変化する磁場に変換するピストンの動きを置き換えました。 熱交換とピストン運動のこれらのアナロジーを使用して、物理学者は量子世界のオットーサイクルを首尾よく実現しました。

その過程で、研究チームは、以前は克服できないと考えられていた課題を克服します。量子粒子の特性や状態は、通常、明確に決定することはできません、とWideraは説明しました。 言い換えれば、それらを測定することはできますが、1回の測定の結果を確実に予測することはできません。 観察された特性の発生確率しか判断できません。 これは& quot;あいまいさ& quot;です。 または、これまでのところ、科学界は、量子熱機関が高効率の定出力を確実に提供できるかどうかを疑うようになった測定結果の変動。 Wideraは、エンジンが異なる出力レベル間で制御不能に前後に変動する可能性を根本的に排除したいと述べました。

スピン交換衝突では変動が発生しますが、研究チームは時間の経過とともにセシウム原子のスピンが飽和することを発見しました。 つまり、一定時間経過しても状態が維持されるため、変動を抑えることができます。"クラシック& quot;と比較して 熱機関では、原子はこの過程でより高い励起状態に達します。 これが量子熱機関の効率的な運転の鍵です。 変動を抑制するという利点に加えて、この量子技術により、量子機械は1サイクルでより多くのエネルギーを変換できます。これは、従来の古典的な機械で2つの異なる温度で動作する量子機械の熱力学的能力よりも高い値です。

研究者によって開発された量子熱機関は、安定して動作しながら連続的な高出力を放出し、効率は非常に高いです。 Widera &＃39;の研究チームは、Lutz教授の理論的支援を受けて、熱力学を量子レベルにまで引き上げることに成功し、量子熱力学の応用への扉をさらに開きました。