要制造一个原子大小的机器,你需要一个量子力学

时间:2020-05-31 20:18 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

要制造一个原子大小的机器,你需要一个量子力学

这是机器微型化故事的新篇章:新加坡实验室的研究人员已经证明,单个原子既可以充当引擎,也可以充当冰箱。这样的装置可以设计成未来的计算机和燃料电池来控制能量流。

“想想看,你的电脑或笔记本电脑里有很多东西在加热。今天你用扇风降温。在纳米机器或量子计算机中,能够进行冷却的小型设备可能会很有用,”新加坡技术与设计大学(SUTD)的达里奥?波莱蒂表示。

这项工作使人们对这种装置的力学有了新的认识。这项研究是由新加坡国立大学(NUS)量子技术中心(CQT)和物理系以及德国奥格斯堡大学的研究人员共同完成的。研究结果发表在5月1日的同行评审期刊《npj量子信息》上。

发动机和冰箱都是由热力学描述的机器,热力学是科学的一个分支,它告诉我们能量在系统中是如何运动的,以及我们如何提取有用的功。经典的发动机把能量转化为有用的功。冰箱的确会传递热量,降低局部温度。在某种意义上,它们是对立的。

在使用单个原子、单个分子和金刚石缺陷之前,人们已经制造出了小型热机。这个装置的一个关键的不同之处在于它的动作表现出了量子性。“我们想知道如何用几个原子来建立热力学装置。物理学还没有被很好地理解,所以我们的工作很重要,要知道什么是可能的。

研究人员研究了单个钡原子的热力学。他们设计了一种方案,用激光在两个能级之间移动一个原子的电子,作为一个循环的一部分,使一些能量被推入原子的振动中。就像汽车引擎消耗汽油来驱动活塞和给电池充电一样,原子利用激光的能量作为燃料来增加其振动运动。原子的振动就像电池一样,储存着以后可以提取的能量。重新排列这个循环,原子就像一个冰箱,从振动中移除能量。

在这两种操作模式中,量子效应表现在原子的电子状态和振动之间的相互关系中。“在这个尺度下,发动机和负载之间的能量传递有点模糊。简单地对负载做功是不可能的,你必须传递一些热量,”Poletti说。他与新加坡国立大学物理系的龚建斌和奥格斯堡的彼得·汉吉合作提出了这一理论。这种模糊性降低了这个过程的效率,但实验人员仍然可以让它工作。

穆克吉和他的同事诺亚·范·霍恩、道贤·亚姆和塔伦·杜塔使用了一个钡原子,它的一个电子(一个负电荷)被移除。这使得原子带正电荷,所以它更容易被电场保持在金属腔内。周围的空气都被抽走了。然后用激光轰击原子,使其通过一个四阶段的循环。

研究人员在施加2到15个周期后测量了原子的振动。他们重复了一个给定的周期数,最高可达150次,平均测量了最后振动能量的大小。他们可以看到,当原子被一个发动机循环轰击时,振动能量增加,而当轰击跟随冰箱循环时,振动能量减少。

理解这个原子大小的机器需要复杂的计算和观察。该团队需要追踪两个被称为“遍角性”的热力学量,即可以转换成有用功的能量,以及与系统无序有关的熵。随着原子机器的运行,遍历性和熵都在增加。第一作者、博士生范霍恩(Van Horne)说,我们仍然可以用一种简单的方式来看待它,“简单地说,我们设计了一个小机器,当它充满自由能量时,就会产生熵,就像孩子们吃了太多的糖一样。”

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