КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя ( 5 фото )

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Великобритании и Израиля построили первый квантовый тепловой двигатель, эффективность которого превышает максимальную эффективность классического теплового двигателя. В качестве рабочего тела такого двигателя выступают два когерентных энергетических уровня NV-центра с наименьшей энергией, а в качестве тепловых резервуаров — возбужденные уровни. Работу, совершаемую двигателем, ученые измеряли с помощью микроволновых импульсов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщаетPhysics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Классический тепловой двигатель превращает тепло в работу, периодически нагревая и охлаждая рабочее тело. В рамках классической термодинамики можно показать, что максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) среди тепловых двигателей обладает двигатель Карно, цикл которого состоит из периодов изотермического и адиабатического расширения и сжатия. На практике эффективность тепловых двигателей, работающих при сравнимых температурах нагревателя и холодильника,  значительно ниже, чем у двигателя Карно. В частности, КПД паровых машин примерно в два раза меньше максимального достижимого КПД.

Теоретически эффективность теплового двигателя можно повысить за счет квантовых эффектов, которые не учитывает классическая термодинамика. Первыми такую возможность рассмотрели около шестидесяти лет назад физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), которые связали эффективность трехуровневого мазера с эффективностью цикла Карно. А в 2015 году группа физиков под руководством Раама Уздина (Raam Uzdin) наконец разработала схему квантового двигателя, эффективность которого превышает эффективность цикла Карно. Для этого ученые рассмотрели двигатель, который работает в так называемом режиме малого действия (small-action limit), то есть совершает за цикл работу, малую по сравнению с постоянной Планка. В этом режиме корреляции между энергетическими уровнями двигателя играют важную роль, а потому могут существенно повысить его эффективность. Впрочем, подтвердить это предположение на практике физики не смогли.

Группа ученых под руководством Джеймса Клатцова (James Klatzow) наконец проверила предположение группы Уздина и построила квантовый двигатель, эффективность которого превышает эффективность классического двигателя, работающего в тех же условиях. Чтобы построить такой двигатель, физики использовали NV-центры — точечные дефекты алмаза, которые возникают при замещении атома углерода атомом азота. С одной стороны, такой центр ведет себя как водородоподобный атом; с другой стороны, заселенность его энергетических уровней удобно контролировать и измерять с помощью вспышек лазера. Во внешнем магнитном поле NV-центр можно рассматривать как когерентный магнитный двигатель, в котором два уровня с самой низкой энергией выступают в качестве рабочего тела, а возбужденные уровни моделируют тепловые резервуары с разными температурами. Чтобы связать рабочее тело с тепловыми резервуарами и извлечь из него работу, ученые светили на NV-центр оптическим и микроволновым лазером. Кроме того, ученые контролировали когерентность двух квантовых состояний рабочего тела в начале каждого цикла, изменяя продолжительность «теплового» лазерного импульса.


Схема эксперимента (a) и фотография установки (b)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

 


Схема квантового теплового двигателя, основанного не NV-центре во внешнем магнитном поле

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

В этой схеме ученые реализовали три типа квантовых тепловых двигателей: непрерывный, двухфазный и четырехфазный. В двигателе первого типа передача тепла и связь с тепловыми резервуарами происходит одновременно и непрерывно; этот режим больше всего напоминает квантовый двигатель Сковила-Шульца. В двигателе второго типа извлечение работы отделено от передачи тепла, однако связь с холодным и горячим резервуарами происходит в одно и то же время. Наконец, в двигателе третьего типа все операции производятся последовательно (как в двигателе Карно). В классическом пределе это устройство переходит в двигатель Отто. Все три двигателя работали в режиме малого действия, то есть произведение продолжительности цикла и средней работы, которая в течение него производилась, было много меньше постоянной Планка.


Схема непрерывного, двухфазного и четырехфазного двигателей. Красные и синие стрелки обозначают связь с «горячим» и «холодным» тепловым резервуаром, оператор U — извлечению работы

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Поделиться

Наконец, физики измерили мощность квантовых двигателей и среднее количество работы, которое они совершали за один цикл. Оказалось, что в режиме малого действия и когерентных энергетических уровней рабочего тела все три двигателя были термодинамически эквивалентны, то есть совершали одинаковое количество работы. Более того, их эффективность превышала предельную эффективность классического теплового двигателя, который работал в тех же условиях. По оценкам ученых, расхождение между КПД, измеренном в этом режиме, и «максимальным» КПД составляло 2,4 сигма (p-value


Мощность когерентного двухфазного двигателя (a) и средняя работа, совершаемая за цикл (b), в зависимости от длины «тепловой» фазы, разрушающей когерентное состояние. Красными точками отмечены данные эксперимента, красной линией — теоретическая зависимость. Для сравнения приведены теоретические ограничения на аналогичные параметры классического теплового двигателя (синяя линия)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Авторы статьи замечают, что построенный ими квантовый тепловой двигатель пока еще очень сложно применять на практике. В частности, потому, что совершаемая им работа «пропадает впустую» и измеряется только косвенно. Тем не менее, физики надеются, что их работа заинтересует других исследователей, которые построят более совершенные квантовые тепловые двигатели. Кроме того, ученые надеются, что их статья поможет разобраться, как работают природные микроскопические тепловые двигатели, например фотосинтетический аппарат.

Стоит отметить, что на архив электронных препринтов физики выложили работу еще в октябре 2017 года. Поэтому, несмотря на то, что до рецензируемого журнала она добралась только на этой неделе, ее уже успели процитировать в 13 новых статьях.

В ноябре 2017 года физики из Бразилии и Германии обнаружили, что корреляции между квантовыми состояниями могут «нарушить» второй закон термодинамики. Для этого ученые скоррелировали спины двух атомов, находящихся в тепловых состояниях с разными температурами, и показали, что в такой системе тепло течет от «холодного» атома к «горячему», а энтропия системы уменьшается. Впрочем, второй закон термодинамики это не нарушает, поскольку взаимная информация атомов в ходе процесса уменьшается, а «суммарная разупорядоченность» в целом растет.

Дмитрий Трунин