Квантовая механика преодолевает второй закон термодинамики в атомном масштабе

Двухосцилляторный квантовый двигатель. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw8462

Два физика из Штутгартского университета доказали, что принцип Карно — центральный закон термодинамики — не применяется к объектам атомного масштаба, чьи физические свойства связаны (так называемые коррелированные объекты). Это открытие может, например, ускорить разработку крошечных энергоэффективных квантовых моторов. Выводы были опубликованы в журнале Science Advances.

Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины являются тепловыми двигателями: они преобразуют тепловую энергию в механическое движение — или, другими словами, тепло в движение. В последние годы в квантово-механических экспериментах удалось уменьшить размер тепловых двигателей до микроскопического диапазона.

«Крошечные моторы, размером не больше одного атома, могут стать реальностью в будущем, — говорит профессор Эрик Лутц из Института теоретической физики I Штутгартского университета. — Теперь также очевидно, что эти двигатели могут достичь более высокой максимальной эффективности, чем крупные тепловые двигатели».

Профессор Лутц и доктор Милтон Агилар, научный сотрудник Института теоретической физики I, объясняют причины этого в своей статье. В этом интервью два ученых подводят итоги своего открытия.

Что именно вы обнаружили?

Почти ровно 200 лет назад французский физик Сади Карно определил максимальную эффективность тепловых двигателей. Принцип Карно, второй закон термодинамики, был разработан для больших макроскопических объектов. Это относится, например, к паровым турбинам. Однако теперь мы смогли доказать, что принцип Карно должен быть расширен для описания объектов атомного масштаба — например, сильно коррелированных молекулярных моторов.

Почему это так?

Карно продемонстрировал, что разница температур имеет решающее влияние: чем больше разница между горячим и холодным, тем выше максимально возможная эффективность теплового двигателя. Однако принцип Карно пренебрегает влиянием так называемых квантовых корреляций. Это особые связи, которые формируются между частицами на очень малых масштабах.

«Впервые мы вывели обобщенные законы термодинамики, которые полностью учитывают эти корреляции. Наши результаты показывают, что тепловые машины, работающие в атомном масштабе, могут преобразовывать в работу не только тепло, но и корреляции. В результате они могут производить больше работы — и эффективность квантового двигателя может превзойти традиционный предел Карно».

Какие перспективы открывает ваше фундаментальное исследование?

Наша работа углубляет наши знания о мире на атомном уровне. Чем лучше мы понимаем физические законы, действующие в этих измерениях, тем скорее мы сможем использовать их для разработки технологий завтрашнего дня — таких как крошечные, высокоэффективные квантовые моторы, которые могут точно выполнять задачи в наномасштабе. Возможно, однажды такие двигатели будут приводить в действие медицинские наноботы или управлять машинами, обрабатывающими материалы на атомном уровне? Потенциал чрезвычайно разнообразен.

Больше информации: Milton Aguilar et al, Correlated quantum machines beyond the standard second law, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw8462

Источник: University of Stuttgart