Новая технология квантового двигателя на основе магнитных полей и ультрахолодных атомов

Квантовая механика — одна из самых удивительных и загадочных областей физики. Она изучает поведение частиц на самых малых масштабах, где обычные законы природы теряют свою силу. Квантовая механика открывает перед нами новые возможности, связанные с созданием и использованием квантовых технологий. Одной из таких технологий является квантовый двигатель, который может работать на основе ультрахолодного облака атомов. В этой статье расскажу вам о новом эксперименте, проведенном группой ученых из Германии и Швейцарии, которые смогли создать и запустить такой двигатель.

Квантовый двигатель, работающий на основе ультрахолодного облака атомов, может стать источником энергии для других квантовых технологий. Такой двигатель использует постоянное изменение фундаментальной квантовой природы частиц, из которых он состоит. Это отличает его от существующих устройств, которые работают на основе классических принципов.

Все известные частицы можно разделить на две категории: фермионы и бозоны. От того, к какой категории они относятся, зависит их поведение в больших группах. Фермионы — это частицы, которые не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Примерами фермионов являются электроны, протоны и нейтроны. Бозоны — это частицы, которые могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Примерами бозонов являются фотоны, глюоны и мезоны.

Разница между этими двумя типами частиц особенно заметна при очень низких температурах. При таких условиях частицы проявляют свойства сверхпроводимости или сверхтекучести. Сверхпроводимость — это явление, при котором материал полностью теряет сопротивление электрическому току. Сверхтекучесть — это явление, при котором жидкость течет без трения.

Группа ученых из Университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии под руководством профессора Артура Видера в сотрудничестве с теоретическим физиком Одедом Зильбербергом разработала способ создания двигателя из набора атомов, заставляя их вести себя то как бозоны, то как фермионы.

Для этого они использовали несколько сотен тысяч атомов лития, охлажденных до температуры в доли градуса от абсолютного нуля. Под воздействием тщательно настроенных магнитных полей атомы лития вели себя сначала как группа фермионов, но, после того как они образовывали пары похожие на молекулы, начинали вести себя как группа бозонов.

Ученые начали с набора бозонных пар атомов. Сначала они сжимали их, затем превращали в коллекцию фермионов, что увеличивало их коллективную энергию. Затем Видера и его коллеги позволяли атомам расширяться. Они также подстраивали магнитные поля, чтобы восстановить атомные пары и переключить их обратно в бозонное состояние — что понижало их общую энергию.

Таким образом, ученые использовали атомы как «рабочую жидкость» в обычных двигателях, где работа извлекается через повторяющийся цикл сжатия и расширения жидкости. В настоящее время квантовый двигатель на основе ультрахолодных атомов имеет эффективность около 25 процентов, но Видера говорит, что ученые могут улучшить ее.

«Не то чтобы мы хотели ездить на следующем Мерседесе Бенц с квантовым двигателем, но мы показали впервые, что можно приводить в движение двигатель с помощью чисто квантовой формы энергии», — говорит он.

Себастьян Деффнер из Университета Мэриленда, Балтимор-Каунти отмечает, что разница между фермионами и бозонами — это квантовое свойство, которое невозможно использовать в обычных машинах, выделяя новый двигатель из существующих устройств. Эта разница делает его подлинно квантовым ресурсом, и нужно ещё определить, можно ли его использовать технологически выгодным способом, говорит он.

Если их можно будет сделать более практичными, квантовые двигатели в конечном итоге могут быть использованы для зарядки других устройств, таких как квантовые батареи, говорит Габриэле Де Кьяра из Королевского университета Белфаста в Великобритании. Они также могут быть использованы «наоборот», говорит он, чтобы охлаждать устройства, такие как квантовые компьютеры, которые известны тем, что делают больше ошибок при повышении температуры.

А если более упрощенно?

Эта технология работает на основе квантового перехода между двумя типами частиц: фермионами и бозонами. Фермионы — это частицы, которые не могут занимать одно и то же квантовое состояние, а бозоны — это частицы, которые могут. Это означает, что фермионы имеют больше потенциальной энергии, чем бозоны, занимая один и тот же объем.

Ученые используют атомы лития, которые могут быть переведены из одного типа в другой с помощью магнитных полей. Когда атомы лития образуют пары, они становятся бозонами, а когда они разделяются, они становятся фермионами. Это позволяет ученым менять энергию атомов в зависимости от того, какой тип частиц они представляют.

Для создания двигателя ученые выполняют следующие шаги:

• Сжимают облако бозонных пар атомов лития, уменьшая его объем.
• Превращают бозоны в фермионы с помощью магнитных полей, увеличивая их энергию.
• Расширяют облако фермионов, увеличивая его объем.
• Превращают фермионы обратно в бозоны с помощью магнитных полей, уменьшая их энергию.

Этот цикл повторяется много раз, и каждый раз часть энергии выделяется в виде работы. Эта работа может быть использована для зарядки или охлаждения других квантовых устройств. Таким образом, квантовый двигатель преобразует квантовое свойство частиц в полезную энергию.

Что такое квантовый переход?

Квантовый переход — это явление, при котором квантовая система, такая как атом, молекула или атомное ядро, меняет свое состояние с одного энергетического уровня на другой. Это происходит скачкообразно, то есть без промежуточных состояний. Квантовый переход может сопровождаться испусканием или поглощением фотонов, то есть квантов света. Квантовый переход отличается от классического фазового перехода, который происходит при изменении температуры или давления и включает тепловые флуктуации. Квантовый переход может происходить при нулевой температуре и зависит только от внешних параметров, таких как магнитное поле или давление. Квантовые переходы имеют важное значение в квантовой механике, квантовой химии, квантовой оптике и квантовых технологиях.

Источник: New Scientist