Ученые разработали квантовую машину, эффективность которой близка к максимально возможной в своем классе. Двигатель работает по циклу Отто, используя в качестве топлива ядра углерода с полуцелым спином и выделяя энергию посредством ядерного магнитного резонанса. Результаты данной интересной работы опубликованы в журнале Physics Review Letters. Еще в 1959 году физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois) впервые высказали идею квантового двигателя. Они показали, что трехуровневый мазер (квантовый генератор когерентных электромагнитных волн сантиметрового диапазона) можно рассматривать в качестве тепловой машины. Как правило, в качестве рабочего тела классического двигателя выбирают пары горючих смесей или водяной пар. Рабочее тело квантового двигателя — частицы, работу которых описывают законы квантовой механики.
Квантовые эффекты, которые не учитывает классическая термодинамика, позволяют создавать двигатели с более высокой эффективностью. Группа физиков во главе с Джоном Петерсоном (John Peterson) из канадского Университета Ватерлоо построила двигатель на базе ядер углерода с полуцелым спином (они выступают рабочим телом), основанный на использовании ядерного магнитного резонанса. Подобно классическому, их квантовый двигатель имеет холодильник и нагреватель — высокочастотный радиосигнал вблизи Лармороской частоты играет роль нагревателя, роль холодильника выполняют низкочастотные моды радиоволн.
Ядра углерода остужают в холодильнике, затем рабочее тело расширяют (момент получения полезной работы) при помощи радиоволны, резонирующей с ядерным спином. Далее, ядра углерода нагревают путем обмена теплотой с ядрами водорода (водород выступает переносчиком тепла), и, наконец, рабочее тело снова сжимают (производят над ним работу).
Ядра углерода остужают при помощи радиоволн. Затем их нагревают путем обмена теплотой с ядрами водорода (водород выступает переносчиком тепла) и, наконец, в процессе сжатия атомы совершают полезную работу.
Схема цикла Отто квантового двигателя. John Peterson et al. / Physics Review Letters
Квантовые двигатели еще невозможно применить на практике — энергия, которую они вырабатывают, очень мала. По словам ученых, сейчас гораздо важнее измерить основные характеристики двигателя и понять его сильные и слабые стороны. Эти данные дадут ученым возможность развивать технологию создания квантовых тепловых машин. Например, квантового холодильника, который был бы полезен для охлаждения квантовых компьютеров.
Самый известный термодинамический цикл — цикл Карно тоже не остался без своего квантового двигателя. Его КПД впервые превзошел максимальный КПД классического двигателя.
Автор: Олег Макаров
Источник: https://nplus1.ru/
