นักวิจัยได้พัฒนาไมโครมอเตอร์ที่ทรงพลังเพื่อให้เกิดวงจร Otto ในโลกควอนตัม

มอเตอร์แบบคลาสสิกแปลงพลังงานประเภทหนึ่ง (เช่น ความร้อน) ให้เป็นงานทางกล กฎหมายเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับเครื่องไมโครที่มีอะตอมซีเซียมเพียงอะตอมเดียว ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานได้หรือไม่? ทีมวิจัย Technische Universität Kaiserslautern นำโดยศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Dr. Arthur Widla ได้ให้หลักฐาน นอกจากนี้ ด้วยความช่วยเหลือของกล่องเครื่องมือควอนตัม นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เครื่องจักรได้อย่างเสถียร แม้ว่าความผันผวนจะแพร่หลายในโลกควอนตัม

งานวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ("เครื่องยนต์ความร้อนควอนตัมที่ขับเคลื่อนด้วยการชนของอะตอม")

เครื่องยนต์กำลังแบบดั้งเดิมเป็นไปตามกฎของอุณหพลศาสตร์ ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำมันถูกจุดไฟ ลูกสูบจะเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานจลน์ ทีมวิจัยของ Widera' ร่วมกับศาสตราจารย์ Eric Lutz จาก University of Stuttgart ได้ถ่ายทอดหลักการพื้นฐานเหล่านี้ไปยังโลกควอนตัมและแก้ปัญหาพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ในกลศาสตร์ควอนตัม

แต่เครื่องยนต์ควอนตัมดังกล่าวถูกสร้างขึ้นมาอย่างไรตั้งแต่แรก? นักวิจัยได้เลือกอุปกรณ์ทดลองพิเศษ ประการแรก ก๊าซของอะตอมรูบิเดียมถูกทำให้เย็นลงจนเกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์เพื่อลดความผันผวนของความร้อน เครื่องจักรขนาดเล็กนี้ประกอบด้วยอะตอมซีเซียมเดี่ยว เชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนเครื่องจักรคือโมเมนตัมเชิงมุมของอะตอมรูบิเดียมซึ่งเรียกว่าสปิน เมื่ออะตอมของซีเซียมและรูบิเดียมชนกัน พวกมันจะแลกเปลี่ยนความร้อนและการหมุนที่ระดับควอนตัม

ผู้เขียนคนแรกของการศึกษาและนักศึกษาระดับปริญญาเอก Jens Nettersheim อธิบายว่าทิศทางการหมุนสามารถเปลี่ยนได้สองทิศทาง ขึ้นหรือลง ในระบบของเรา สิ่งนี้แสดงถึงความร้อน และความเย็นทำให้เกิดความแตกต่างทางความร้อน เมื่อเกิดการชนกันของการหมุนของการหมุน ทิศทางการหมุนของอะตอมซีเซียมและรูบิเดียมที่ชนกันจะเอียงไปในทิศทางตรงกันข้าม ที่อุณหภูมิต่ำมากที่ระบบกำหนด เราสามารถควบคุมทิศทางการเปลี่ยนแปลงการหมุนในการชนแต่ละครั้งได้ นอกจากนี้ เรายังเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของลูกสูบที่เปลี่ยนพลังงานของระบบด้วยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไป การใช้การเปรียบเทียบเหล่านี้สำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนและการเคลื่อนที่ของลูกสูบ นักฟิสิกส์ประสบความสำเร็จในการตระหนักถึงวัฏจักรอ็อตโตของโลกควอนตัม

ในกระบวนการนี้ ทีมวิจัยได้เอาชนะความท้าทายที่ก่อนหน้านี้ถือว่าผ่านไม่ได้ นั่นคือคุณสมบัติหรือสถานะของอนุภาคควอนตัมมักจะไม่สามารถกำหนดได้อย่างชัดเจน Widera อธิบาย กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราสามารถวัดค่าได้ แต่เราไม่สามารถคาดการณ์ผลลัพธ์ของการวัดครั้งเดียวได้อย่างแน่นอน ฉันสามารถกำหนดความน่าจะเป็นที่จะเกิดขึ้นของคุณสมบัติที่สังเกตได้เท่านั้น นี่คือ"ความกำกวม" หรือความผันผวนของผลการวัดที่ทำให้ชุมชนวิทยาศาสตร์สงสัยว่าเครื่องยนต์ความร้อนควอนตัมสามารถให้พลังงานคงที่ที่มีประสิทธิภาพสูงได้อย่างน่าเชื่อถือหรือไม่ Widera กล่าวว่าฉันต้องการแยกแยะความเป็นไปได้ที่เครื่องยนต์จะผันผวนไปมาอย่างไม่สามารถควบคุมได้ระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน

ในการชนกันของการแลกเปลี่ยนสปิน ความผันผวนเกิดขึ้น แต่ทีมวิจัยพบว่าเมื่อเวลาผ่านไป สปินของอะตอมซีเซียมจะอิ่มตัว กล่าวอีกนัยหนึ่ง สิ่งเหล่านี้จะยังคงอยู่ในสถานะหลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง ดังนั้นจึงสามารถควบคุมความผันผวนได้ เมื่อเทียบกับ"คลาสสิก" เครื่องยนต์ความร้อน อะตอมถึงสถานะตื่นเต้นที่สูงขึ้นในกระบวนการนี้ นี่คือกุญแจสู่การทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนควอนตัม นอกจากข้อดีของการระงับความผันผวนแล้ว เทคนิคควอนตัมนี้ยังช่วยให้เครื่องควอนตัมของเราสามารถแปลงพลังงานได้มากขึ้นในรอบเดียว ซึ่งสูงกว่าความสามารถทางอุณหพลศาสตร์ของเครื่องควอนตัมที่ทำงานที่อุณหภูมิต่างกันสองระดับในเครื่องคลาสสิกแบบดั้งเดิม

เครื่องยนต์ความร้อนควอนตัมที่พัฒนาโดยนักวิจัยปล่อยพลังงานสูงอย่างต่อเนื่องในขณะที่ทำงานอย่างเสถียร และประสิทธิภาพสูงมาก ทีมวิจัยของ Widera' ด้วยการสนับสนุนทางทฤษฎีของศาสตราจารย์ลัทซ์ ประสบความสำเร็จในการนำอุณหพลศาสตร์ไปสู่ระดับควอนตัม เปิดประตูสู่การประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์ควอนตัม