Kvantni toplotni motor koji istovremeno proizvodi rad i hlađenje

Zakoni termodinamike kažu da toplota prirodno teče od toplijih sistema ili regiona ka hladnijim sistemima ili regionima sve dok se ne postigne stanje termalne ravnoteže. Ovaj jednostavni princip je u osnovi funkcionisanja brojnih tehnologija, od frižidera do elektrana.

Ipak, kvantni sistemi, kojima vlada kvantna mehanika, mogu ispoljiti neobična ponašanja koja se ne mogu objasniti klasičnom fizikom. Ova ponašanja bi se mogla upotrebiti za stvaranje inovativnih termalnih uređaja.

Preporučujemo

Istraživači su nedavno osmotrili anomalni termalni efekat koji omogućava kvantnom sistemu da apsorbuje toplotu iz hladnijih termalnih rezervoara. Ovaj neobični efekat je iskorišćen za razvoj novog kvantnog toplotnog motora koji istovremeno proizvodi rad (mehaničku energiju nastalu pretvaranjem toplote u kretanje ili snagu) i hlađenje.

„Neodređeni kauzalni poredak (ICO) omogućava da se dva događaja dogode u superpoziciji poredaka“, kažu istraživači. „U kvantnoj termodinamici, ovi događaji su modelirani kao kanali termalizacije koji deluju na sistem preko kontrolnog kubita, stvarajući neodređeni poredak. Prethodni rad je pokazao da čak i sa identičnim temperaturama kanala sistem ne mora da postigne ravnotežu na toj temperaturi – upadljivo odstupanje od standardne termodinamike. Motivisani time, zapitali smo se šta se dešava sa tokom toplote kad sistem i kanali počnu od različitih temperatura“.

Dizajniranje kvantnog motora sa neobičnom prednošću

Na bazi ranijih studija, naučnici su krenuli da istraže šta se dešava sa toplotom kad je kvantni sistem u interakciji sa dva termalna rezervoara. To ih je dovelo do teorijskog predviđanja i eksperimentalnog demonstriranja anomalnog obrnutog toka u kom kvantni sistem apsorbuje toplotu iz hladnijih termalnih rezervoara.

Istraživači su zatim dizajnirali novi kvantni Otov motor, uređaj koji toplotu pretvara u koristan rad. Međutim, za razliku od konvencionalnih Otovih matora, uređaj koji su razvili može istovremeno da proizvodi rad i da hladi drugi sistem.

„Eksperimentalno smo realizovali i anomalni tok i motor na fotonskoj platformi, sa rezultatima koji potpuno potvrđuju naša teorijska predviđanja“, kažu autori studije. „Ključna ideja našeg rada je da se u kvantnom svetu dva termalna procesa mogu dogoditi u superpoziciji različitih poredaka. Ovo stvara neobičan tok toplote, omogućavajući motoru da crpi energiju iz hladnijeg okruženja na način koji klasično ne bi bio moguć“.

Novorazvijeni kvantni toplotni motor koristi neobičan tok toplote za pokretanje kvantnog Otovog ciklusa koji istovremeno generiše koristan rad i obezbeđuje hlađenje. Ovo je značajno dostignuće, pošto bi omogućavanje ove dve funkcionalnosti obično zahtevalo dva posebna i veoma različita uređaja.

„Prvo, identifikovali smo novi oblik anomalnog toka toplote, pokazujući da kvantna koherencija može fundamentalno promeniti način na koji se toplota razmenjuje između sistema“, kažu autori.

„Drugo, obezbedili smo potpunu teorijsku i eksperimentalnu demonstraciju ovih nekonvencionalnih termodinamičkih efekata na fotonskoj platformi, približavajući fizičkoj realizaciji ono što je uveliko bilo teorijski koncept. Treće, razjasnili smo važno temeljno pitanje dokazujući da ovi efekti nisu ekskluzivni znaci neodređenog kauzalnog poretka, već da se mogu reprodukovati i unutar određene kauzalne strukture“.

Moguće primene i budući pravci istraživanja

U budućnosti bi se ovo moglo upotrebiti za razvoj drugih kvantnih tehnologija koje manipulišu toplotom i energijom na fundamentalno nove načine. Iako je predstavljeni motor samo potvrda izvodljivosti koncepta, mogla bi otvoriti nove puteve za hlađenje kvantnih procesora i upravljanje toplotom u kvantnim senzorima, tehnologijama snimanja ili uređajima nanorazmera.

„Jedna oblast za buduće istraživanje je prelazak sa idealizovanih termodinamičkih ciklusa na ispitivanje realističnijih implementacija gde se sve operacije dešavaju u nekom ograničenom vremenu“, kažu istraživači.

„Brzina je u praktičnim uređajima važna jer određuje ne samo efikasnost već i izlaznu snagu. Nedavne teorijske studije pokazuju da merenja i kontrolne operacije ograničenog vremena mogu uvesti fundamentalne kompromise između energetskih troškova, informacionih dobiti i performansi, i želimo da razumemo kako ova ograničenja utiču na tip motora predložen u našem radu“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)