研究人员将单个原子变成了量子引擎和量子冰箱

机器小型化的历史翻开了新的一页:新加坡一个实验室的研究人员已经证明,单个原子既可以充当发动机,也可以充当冰箱。这种装置可以被设计到未来的电脑和燃料电池中,以控制能量流动。想想看,你的电脑或笔记本电脑内部有很多东西可以加热。今天你用风扇吹空气来冷却它。在纳米机器或量子计算机中,能够冷却的小型设备可能会很有用。来自新加坡科技与设计大学(SUTD)的Dario Poletti说。

这项工作使人们对这种装置的机理有了新的认识。这项研究是由量子技术中心(CQT)、新加坡国立大学(NUS)物理系和德国奥格斯堡大学(University of Augsburg)的研究人员合作完成的。研究结果发表在5月1日的同行评审期刊《npj量子信息》上。

发动机和电冰箱都是用热力学来描述的机器。热力学是一门科学的分支,它告诉我们能量在一个系统中如何运动,以及我们如何提取有用的功。经典的发动机把能量转化为有用的功。冰箱确实能传递热量,降低局部温度。在某种意义上,他们是对立的。

在使用单个原子,单个分子和金刚石缺陷之前,人们已经制造了小型热机。这个装置的一个关键区别是它在动作中显示了量子性。我们想了解如何用几个原子建立热力学装置。物理学还没有被很好地理解,所以我们的工作对于知道什么是可能的很重要。领导这项实验工作的新加坡国立大学CQT的首席研究员Manas Mukherjee说。

研究人员研究了单个钡原子的热力学。他们设计了一种方案,作为循环的一部分,激光使原子的一个电子在两个能级之间移动,使一些能量进入原子的振动中。就像汽车发动机消耗汽油来移动活塞和给电池充电一样,原子使用来自激光的能量作为燃料来增加其振动运动。原子的振动就像电池一样,储存能量供以后提取。重新排列循环,原子就像冰箱一样,从振动中带走能量。

在任何一种工作模式下,量子效应都表现在原子的电子态和振动之间的关联中。在这个尺度上,发动机和负载之间的能量传递有点模糊。仅仅对负载做功已经不可能了,你必须传递一些热量。Poletti说。他与新加坡国立大学物理系的龚江滨和奥格斯堡的彼得共同研究出了这一理论。这种模糊性降低了这个过程的效率,但实验人员仍然可以让它工作。

Mukherjee和他的同事Noah Van Horne, Dahyun Yum和Tarun Dutta使用了一个移除一个电子(一个负电荷)的钡原子。这使得原子带正电荷,所以它可以更容易地被电场固定在金属腔内。所有其他空气都被从它周围清除。然后用激光轰击原子,使其经过一个四阶段的周期。

研究人员在应用2到15个周期后测量了原子的振动。他们重复给定的循环次数达150次,测量平均有多少振动能量出现在最后。他们可以看到,当原子被发动机循环轰击时,振动能量增加,而随着冰箱循环轰击时,振动能量减少。

理解这个原子大小的机器需要复杂的计算和观察。该团队需要追踪两个热力学量,即可转化为有用功的可遍性和与系统无序有关的熵。随著原子机的运转,遍历性和熵均增加。第一作者、博士生范·霍恩说:“这仍然是一种简单的看待这个问题的方法。粗略地说,我们已经设计了一个小机器,它会产生熵,因为它充满了自由能量,就像孩子们吃了太多糖后一样。”

参考文献:具有量子载荷的单原子能量转换装置作者:Noah Van Horne, Dahyun Yum, Tarun Dutta, Peter h&nggi, Jiangbin Gong, Dario Poletti和Manas Mukherjee, npj量子信息,2020年5月1日。