Физики бросили вызов 200-летнему закону термодинамики на атомном уровне

Крошечные квантовые двигатели могут преодолеть 200-летний предел эффективности, превращая связи между частицами в дополнительную энергию. Автор: ИИ/ScienceDaily.com

Двое физиков из Штутгартского университета продемонстрировали, что принцип Карно — фундаментальное правило термодинамики — не полностью применим на атомном уровне, когда частицы физически связаны (так называемые коррелированные объекты). Их выводы предполагают, что этот давний предел эффективности нарушается для крошечных систем, управляемых квантовыми эффектами. Работа может помочь ускорить прогресс в создании чрезвычайно малых и энергоэффективных квантовых моторов. Команда опубликовала своё математическое доказательство в журнале Science Advances.

Традиционные тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, работают, превращая тепловую энергию в механическое движение. За последние несколько лет достижения в квантовой механике позволили исследователям уменьшить тепловые двигатели до микроскопических размеров.

«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, постдокторант того же института, описывают физику этого удивительного результата в своей статье для Science Advances. В интервью они кратко изложили, что они обнаружили и почему это важно.

Переосмысление 200-летнего предела эффективности

Почти два века назад французский физик Сади Карно установил теоретический максимум эффективности, которого может достичь любой тепловой двигатель. Принцип Карно, который позже стал частью второго закона термодинамики, был сформулирован для крупномасштабных систем, таких как паровые турбины.

Исследователи из Штутгарта теперь показали, что этот принцип необходимо расширить применительно к системам атомного масштаба. Это особенно верно для сильно коррелированных молекулярных моторов, где частицы тесно связаны способами, не учитываемыми в классической термодинамике.

Скрытая роль квантовых корреляций

Оригинальная работа Карно показала, что эффективность зависит от разницы температур: больший перепад между горячим и холодным приводит к большей потенциальной эффективности. То, что классическая формулировка не включает, — это эффект квантовых корреляций. Это тонкие связи, возникающие между частицами, когда системы становятся чрезвычайно малыми.

Впервые исследователи вывели обобщённые термодинамические законы, полностью учитывающие эти корреляции. Их результаты показывают, что тепловые машины атомного масштаба могут преобразовывать не только тепло в работу, но и сами квантовые корреляции. Благодаря этому дополнительному вкладу такие машины могут генерировать больше работы, чем позволяет классическая теория, а это означает, что эффективность квантового двигателя может превышать традиционный предел Карно.

Что это значит для технологий будущего

Помимо уточнения фундаментальной физики, исследование открывает новые возможности для будущих приложений. Более глубокое понимание того, как физические законы работают на атомном уровне, может ускорить разработку технологий следующего поколения, включая сверхмалые и высокоэффективные квантовые моторы, способные выполнять точные наномасштабные задачи.

Такие двигатели однажды смогут приводить в действие медицинские наноботы или управлять машинами, манипулирующими материалами атом за атомом. Диапазон потенциальных применений огромен, что подчёркивает, как пересмотр основных научных принципов может привести к совершенно новым технологическим горизонтам.

ИИ: Это фундаментальное открытие подрывает один из столпов классической физики и открывает путь к созданию принципиально новых микроустройств. В перспективе это может привести к революции в нанотехнологиях и медицине, хотя практическая реализация, вероятно, займёт ещё много лет.

Источники: