Ученые предложили тепловой двигатель, преодолевающий классические термодинамические ограничения

Концептуальная иллюстрация азартного двигателя Карно с демоном Максвелла, отслеживающим микроскопическую частицу в оптическом потенциале и выполняющим стратегические вмешательства на основе положения частицы и тепловых флуктуаций для достижения повышенной эффективности. Автор: Эдгар Рольдан.

Исследователи представили тепловой двигатель с обратной связью, который стратегически использует тепловые флуктуации на микроскопическом уровне, открывая новые пути для сбора энергии в наноразмерных устройствах.

Исследование, проведенное под руководством доктора Эдгара Рольдана из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама, бросает вызов двухвековому термодинамическому пониманию, предлагая метод преодоления того, что считалось нерушимым пределом в физике: предела эффективности Карно.

Стратегическая игра

Стандартные тепловые двигатели, включая хорошо известный двигатель Карно, ограничены максимальной эффективностью Карно: η = 1 – (T_c/T_h), где T_c и T_h обозначают температуры холодного и горячего тепловых резервуаров соответственно.

Азартный двигатель Карно (GCE) включает игровую стратегию, заимствованную из теории игр и реализованную в термодинамике. Система использует внешний контроллер или «демона», происходящего из знаменитого мысленного эксперимента Максвелла, для реализации стратегических мер в соответствии с определенными критериями.

Инновация сосредоточена на фазе изотермического сжатия двигателя. В течение этого шага частица обычно подвергается постепенному сжатию по мере медленного увеличения жесткости ловушки — процесс, требующий значительных затрат работы.

Однако демон непрерывно отслеживает положение частицы с помощью высокоскоростной лазерной интерферометрии на протяжении всего периода сжатия. Когда частица пересекает центр ловушки (положение x = 0) до заранее определенного срока, система немедленно переходит в конечное состояние сжатия с нулевой стоимостью работы.

Механика микроскопической эффективности

Двигатель работает с использованием коллоидной частицы — микроскопической полистироловой сферы, взвешенной в воде и удерживаемой сфокусированными лазерными лучами. В отличие от макроскопических двигателей с поршнями и цилиндрами, эта наноразмерная система регулирует удерживающий потенциал частицы для создания термодинамических циклов.

Стратегическое преимущество возникает за счет использования броуновского движения, которое заставляет частицу колебаться вокруг центра ловушки. Исследователи определили, что эта игровая стратегия производит вероятность выживания, которая экспоненциально падает со временем цикла, а это означает, что эффективность возрастает по мере увеличения операционных временных масштабов. В квазистатическом пределе эффективность приближается к 100%.

Переосмысление эффективности в рамках фундаментальных ограничений

Утверждение о превышении эффективности Карно требует тщательной интерпретации в рамках принципов термодинамики. Рольдан подчеркивает, что их определение остается последовательным с классической термодинамикой, одновременно раскрывая новые возможности через обработку информации.

«Если мы учтем при вычислении эффективности стоимость стирания информации о положении частицы в каждом цикле, мы приходим к альтернативному определению эффективности, которое уважает предел Карно», — отметил Рольдан.

От теории к лабораторной реальности

Исследователи использовали реалистичные параметры из предыдущего экспериментального исследования. Основные экспериментальные проблемы связаны с высокоскоростным обнаружением положения и быстрой реализацией обратной связи.

«Наши идеи и подобные им в развивающейся области стохастической термодинамики пока являются доказательством концепций того, что может вдохновить реалистичные проекты эффективных наномашин, бросающих вызов классическим термодинамическим пределам», — объяснил Рольдан.

Больше информации: Tarek Tohme et al, Gambling Carnot Engine, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/w8cx-xx1z