研究人员将单个原子变成量子发动机和量子冰箱

时间：2022-04-16 14:25:05 来源：

用单个原子设备的实验有助于研究人员了解当机器缩小到原子量表时的量子效应效果。

以下是机器小型化故事中的一个新篇章：新加坡实验室的研究人员表明，单个原子可以用作发动机或冰箱。这种装置可以设计成未来的计算机和燃料电池以控制能量流动。“考虑您的计算机或笔记本电脑如何在其内部有很多东西。今天你用吹风的风扇很酷。在纳米筒虫或量子计算机中，散热的小型器件可能是有用的，“来自新加坡技术和设计（SUTD）的Dario Poletti说。

这项工作提供了新的洞察这些设备的机制。这项工作是涉及众多新加坡国立大学（NUS），SUTD和埃德堡大学的Quantum Technologies（CQT）和物理系的研究人员合作。结果发表于5月1日的同行评审期刊NPJ量子信息中。

发动机和冰箱都是热力学描述的机器，一种科学分支，告诉我们能量如何在系统内移动以及我们如何提取有用的工作。古典发动机将能量变为有用的工作。冰箱确实可以转移热量，减少局部温度。在某种意义上，它们是对立面的。

在使用单个原子，单一分子和金刚石中的缺陷之前，人们已经制造了小型热发动机。关于该设备的关键差异是它在其动作中显示了量子度。“我们希望了解我们如何用几个原子构建热力学设备。物理学尚不清楚，所以我们的工作很重要，可以了解什么是可能的，“CQT，NUS的主要调查员Manas Mukherjee说，他领导了实验工作。

研究人员研究了单个钡原子的热力学。它们设计了一种方案，其中激光器在两个能级之间移动一个原子的电子作为循环的一部分，导致一些能量被推入原子的振动中。与汽车发动机一起消耗汽油以移动活塞并充电电池，原子使用激光器的能量作为燃料以增加其振动运动。原子的振动就像电池一样，存储能量可以在以后提取。重新排列循环，原子像冰箱一样，从振动中移除能量。

在任一操作模式中，量子效应显示出原子的电子状态和振动之间的相关性。“在这种规模中，发动机和负载之间的能量传递是有点模糊的。不再有可能在负载上进行工作，你必然会传递一些热量，“波莉蒂说。他在奥维尔斯堡的Nus物理和PeterHänggi在Nus Physics jiangbin Gong的合作者中介绍了该理论。模糊性使得过程效率较低，但实验主义者仍然可以使其工作。

Mukherjee和同事Noah Van Horne，Dahyun Yum和Tarun Dutta使用了钡原子，电子（负电荷）被除去了电子（负电荷）。这使得原子正充电，因此可以通过电场更容易地保持在金属室内。所有其他空气都从其周围移除。然后用激光划分原子以使其通过四阶段的循环移动。

研究人员在施加2到15次循环后测量原子的振动。它们重复了多达150倍的给定次数，平均测量结束了多少振动能量。当用发动机循环划分原子时，它们可以看到振动能量增加，并且当ZAP跟随冰箱循环时减小。

了解原子大小的机器涉及复杂的计算和观察。该团队需要跟踪两种称为ergotropy的热力学量，这是可以转化为有用的工作的能量，以及熵与系统中无序相关的能量。随着原子机运行，逆转录和熵增加。仍然有一种简单的方式来看它，第一个作者和博士生van Horne说，“松散地说，我们设计了一台小型机器，因为它被填满了自由能量，就像给予的那样糖很多。“

参考：Noah Van Horne，Dahyun Yum，Tarun Dutta，PeterHänggi，江滨Gong，Dario Poletti和Manas Mukherjee，NPJ Quantum Information.Doi：
10.1038 / S41534-020-0264-6

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