연구원들은 양자 세계에서 오토 사이클을 실현하기 위해 강력한 마이크로 모터를 개발했습니다.

고전적인 모터는 일종의 에너지(예: 열)를 기계적 작업으로 변환합니다. 세슘 원자가 하나만 있는 마이크로 머신에도 이 법칙을 적용해 작업 효율을 높일 수 있을까? 물리학 교수인 Arthur Widla 박사가 이끄는 Technische Universität Kaiserslautern 연구팀이 증거를 제공했습니다. 또한 양자 도구 상자의 도움으로 과학자들은 양자 세계에서 변동이 도처에 존재하더라도 안정적으로 기계를 실행할 수 있습니다.

관련 연구 결과는 현재 Nature Communications(& quot;원자 충돌에 의해 구동되는 양자 열 엔진& quot;) 저널에 게재되었습니다.

전통적인 동력 엔진은 열역학 법칙을 따릅니다. 예를 들어, 가솔린이 점화되면 피스톤은 열 에너지를 운동 에너지로 변환합니다. Widera' 연구팀은 슈투트가르트 대학의 Eric Lutz 교수와 공동으로 이러한 기본 원리를 양자 세계로 옮기고 양자 역학에서 열역학의 기본 문제를 해결했습니다.

그러나 그러한 양자 엔진은 처음에 어떻게 만들어졌습니까? 연구원들은 특별한 실험 장치를 선택했습니다. 첫째, 루비듐 원자의 가스는 열 변동을 최소화하기 위해 거의 절대 영도까지 냉각되었습니다. 이 작은 기계는 단일 세슘 원자로 구성되어 있습니다. 기계를 구동하는 연료는 스핀이라고 하는 루비듐 원자의 각운동량입니다. 세슘과 루비듐 원자가 충돌하면 양자 수준에서 열과 스핀을 교환합니다.

이 연구의 첫 번째 저자이자 박사 과정 학생인 Jens Nettersheim은 ​​스핀 방향이 위 또는 아래의 두 방향으로 변경될 수 있다고 설명했습니다. 우리 시스템에서 이것은 열을 나타냅니다. 그리고 추위로 인해 온도 차이가 발생합니다. 소위 스핀 교환 충돌이 발생하면 충돌하는 세슘과 루비듐 원자의 스핀 방향이 반대 방향으로 기울어집니다. 우리 시스템이 제공하는 초저온에서 우리는 각 충돌에서 스핀 변화의 방향을 제어할 수 있습니다. 또한 시스템의 에너지를 변화하는 자기장으로 변환하는 피스톤 운동을 교체했습니다. 열 교환 및 피스톤 운동에 대한 이러한 유추를 사용하여 물리학자들은 양자 세계의 오토 사이클을 성공적으로 실현했습니다.

이 과정에서 연구팀은 이전에 극복할 수 없는 것으로 여겨졌던 문제를 극복했다고 Widera는 설명했습니다. 다시 말해서, 우리는 그것들을 측정할 수 있지만 단일 측정의 결과를 확실하게 예측할 수는 없습니다. 나는 관찰된 속성의 발생 확률만 결정할 수 있습니다."모호함& quot; 또는 지금까지 과학계가 양자 열 엔진이 고효율 정전력을 안정적으로 제공할 수 있는지 의심하게 만든 측정 결과의 변동. Widera는 다른 출력 레벨 사이에서 엔진이 제어할 수 없이 앞뒤로 변동할 가능성을 근본적으로 배제하고 싶다고 말했습니다.

스핀 교환 충돌에서는 요동이 발생하지만 연구팀은 시간이 지남에 따라 세슘 원자의 스핀이 포화되는 것을 발견했습니다. 즉, 일정 시간이 지나면 그 상태를 유지하므로 변동을 제어할 수 있습니다."클래식"에 비해 열 기관에서 원자는 이 과정에서 더 높은 여기 상태에 도달합니다. 이것이 양자 열 기관의 효율적인 작동의 핵심입니다. 변동을 억제하는 이점 외에도 이 양자 기술을 사용하면 우리의 양자 기계가 한 주기에서 더 많은 에너지를 변환할 수 있습니다.

연구진이 개발한 양자 열 엔진은 안정적으로 작동하면서 지속적으로 높은 출력을 방출하며 효율이 매우 높다. Widera' 연구팀은 Lutz 교수의 이론적인 지원을 받아 열역학을 양자 수준으로 끌어올리는 데 성공하여 양자 열역학 적용의 문을 더욱 열었습니다.