自旋量子热机的实验演示

时间:2020-01-02 17:18 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

自旋量子热机的实验演示

“量子热机”的理论概念已经存在了几十年。大约60年前,贝尔实验室的两位物理学家斯科维尔(Scovil)和舒尔茨-杜布瓦(Schulz-DuBois)首次提出了微波激射器。

在随后的几年里,其他研究人员在斯科维尔和舒尔茨-杜布瓦的思想基础上发展了各种各样的理论,提出了量子尺度上的热力学循环的建议。最近,物理学家们开始在实验环境中测试这些理论。

其中一项实验是由滑铁卢大学(University of Waterloo)、美国联邦大学(Universidade Federal do ABC)和巴西科学中心(Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas)的一组研究人员进行的,他们在实验室环境中成功演示了一个自旋量子热机。他们的论文发表在《物理评论快报》上,概述了基于自旋1/2系统和核磁共振技术的热机的实现。

“所谓的‘量子热力学’目前正在开发中,”进行这项研究的研究人员之一Roberto Serra告诉Phys.org。“这一新兴领域也与量子技术的发展有关,这预示着一场纳米级的新工业革命,将会出现计算、通信、传感器等颠覆性设备。”

在他们的实验中,Serra和他的同事成功地实现了一个原理证明的量子热机,它使用了置于氯仿分子中的核自旋和核磁共振技术。研究人员专门利用射频场来操纵碳13同位素的核自旋,最终产生一个奥托循环(即核磁共振)。(例如,最常用的发动机的热力循环)。

“两种可能的核自旋状态(比如向上和向下)之间的能量差异增加和减少,类似于汽车发动机中的活塞膨胀和压缩,”Serra解释说。在某些情况下,分子中的核自旋可以吸收并向无线电波释放热量。

在Serra和他的同事们关注的量子场景中,能量波动起着至关重要的作用。然而,在热力学循环中测量这些波动是一项极具挑战性的任务,研究人员令人惊讶地能够完成这项任务。他们发现,当执行一个量子奥托循环以最大的力量,他们的量子热机可以实现提取工作的效率η≈42%,这是非常接近其热力学极限(η= 44%)。

“在目前的实验中,除了量子尺度上的不可逆性外,我们能够描述功和热的所有能量波动,”该研究的合著者之一John Peterson告诉Phys.org。“我们分子机器的快速运转产生了自旋能态之间的跃迁,这与我们所说的‘量子摩擦’有关,它会降低性能。”这种摩擦也与熵的增加有关。另一方面,一个非常慢的操作(减少量子摩擦)不会提供相当多的能量。所以,最好的方案是用低水平的量子摩擦或熵产生来调和一定量的能量,就像现代工程在汽车引擎中所做的那样。”

这项由Serra和他的同事进行的研究是第一批通过实验证明自旋量子热机概念的研究之一。这一概念验证的热机可能最终为未来探索量子热机器功能和潜力的研究提供信息。

塞拉说:“在我们的实验中,微型自旋发动机的效率接近其最大功率时的热力学极限,这比现在汽车发动机的效率要好得多。”“量子自旋引擎在实践中不会很有用,因为产生的功只会为无线电波提供很少的能量。它只会足以改变另一个核自旋。我们更感兴趣的是测量它使用了多少能量,消耗了多少热量,以及在运行过程中产生了多少熵。”

在他们未来的工作中,Serra和他的同事们还希望找到优化小型量子热机器操作的方法,并在实际实验中证明它们的有效性。这可能最终有助于建造更先进的量子冰箱,并在新的量子计算机上实现。

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