​Nature:量子发动机!
学研汇 技术中心 纳米人 2023-10-17
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原创丨彤心未泯(学研汇 技术中心)
编辑丨风云

热引擎在经典和量子机制下都将热能转化为机械功。然而,量子理论是真正的非经典形式的能量,迄今为止还没有在循环发动机中得到应用。

有鉴于此,德国莱茵兰-普法尔茨凯泽斯劳滕-兰道工业大学Artur Widera等人通过实验实现了一种量子多体发动机,该发动机由超冷粒子的费米子和玻色子之间的能量差提供动力。采用接近磁费什巴赫共振的6Li原子的谐波捕获超流体气体,通过气体调节实现了有效地将量子统计从玻色爱因斯坦转变为费米狄拉克。通过将这种泡利发动机与经典热状态下的发动机以及纯相互作用驱动的装置进行对比,揭示了这种泡利发动机的量子性质。本工作获得每个周期若干个106个振动量子的功输出,效率高达25%。本研究结果将量子统计确立为产生功的有用热力学资源

量子泡利发动机
作者报告了一种新的多体量子引擎的实验实现,该发动机循环地将泡利不相容原理产生的能量转化为功。其工作机制是纯量子起源,费米子和玻色子之间的差异在经典高温极限下消失。作者采用了由6Li原子组成的超冷双组分费米气体,该气体被限制在组合光磁陷阱中,通过形成捕获势的激光功率绝热地改变捕获频率来实现循环。作者讨论了零温度下一维谐波俘获非相互作用理想气体的简单情况,解析了获得泡利原理的能量可能性,还制备了一种相互作用的3D量子简并双组分费米气体,证实了量子泡利发动机的可行性。

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图  量子泡利发动机原理

泡利能量
在分子BEC体系中,总能量包括分子结合能和残余粒子-粒子相互作用。作者比较了泡利冲程的能量差ΔU,将量子泡利能量与热状态下的类似过程进行对比,结果表明泡利冲程期间量子统计的变化产生了更大的能量差 ΔU,并且粒子数的增加速度更快。因此可以得出结论,变化ΔU主要是由于量子泡利能EP造成的。

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图  泡利能量的贡献
泡利发动机性能
作者进一步探究了泡利发动机的性能,重要的泡利冲程能量变化直接反映了在粒子数量恒定的情况下,费米能量在更陡峭的势下不断增长,这表明压缩比会增加,从而增加功输出。功输出W和效率η均随着压缩比的增加而增加,总功输出高达30×106ħωA,当压缩比大于10% 时,效率高于10%,最大效率为 25%。

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图  泡利发动机的性能

性能比较
作者通过量子统计驱动的泡利循环和相互作用驱动的费什巴赫循环之间的比较表明,泡利发动机优于效率基本为零的费什巴赫发动机。虽然迄今为止量子热力学的大多数研究都集中在传统的能量形式,但本研究表明,通过改变系统的量子统计,可以实现一种新的能量转移形式,将泡利能量循环转换为功。这种基于泡利不相容原理的效应本质上是量子效应。

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图  量子多体器件的性能比较

参考文献:
Koch, J., Menon, K., Cuestas, E. et al. A quantum engine in the BEC–BCS crossover. Nature 621, 723–727 (2023).
DOI:10.1038/s41586-023-06469-8
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06469-8

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