Почему классическая термодинамика не работает в квантовом мире?
Исследователи из Университета Штутгарта продемонстрировали, что принцип Карно (основополагающее правило термодинамики, сформулированное французским физиком Сади Карно почти два века назад) не действует для систем атомного масштаба со взаимосвязанными физическими свойствами. Результаты работы могут стать ключом к разработке чрезвычайно компактных и энергоэффективных квантовых двигателей, пишет 24 Канал со ссылкой на SciTechDaily.
Смотрите также В поисках "новой физики" ученые опровергли гипотезу десятилетней давности о загадочной частице
Классические тепловые машины, включая двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, функционируют благодаря преобразованию тепловой энергии в механическое движение. Однако последние достижения в области квантовых экспериментов позволили уменьшить размеры тепловых двигателей до микроскопических масштабов.
Профессор Эрик Лутц из Института теоретической физики Университета Штутгарта отмечает, что миниатюрные моторы размером не более одного атома могут стать реальностью в будущем. Ученый также подчеркивает, что эти двигатели способны достигать более высокой максимальной эффективности по сравнению с большими тепловыми машинами, говорится в научном исследовании на страницах Science Advances.
Лутц вместе с доктором Мильтоном Агиларом, постдокторантом того же института, описали научное обоснование этого вывода в своей публикации. Два физика объяснили суть своего открытия: принцип Карно, который является вторым законом термодинамики и был разработан для больших макроскопических объектов, требует расширения для описания систем атомного масштаба, в частности сильно коррелированных молекулярных моторов.
Карно установил, что разница температур имеет решающее влияние на эффективность: чем больше разница между горячим и холодным источником, тем выше максимально возможная эффективность теплового двигателя. Однако классический принцип не учитывает влияние квантовых корреляций – особых связей, формирующихся между частицами на чрезвычайно малых масштабах.
Ученые впервые вывели обобщенные законы термодинамики, которые полностью учитывают эти корреляции.
Полученные результаты демонстрируют, что тепловые машины, работающие на атомном уровне, могут превращать не только тепло, но и сами корреляции в полезную работу.
Благодаря этому они способны производить больше эффективности, а результат работы квантового двигателя может превышать традиционный предел Карно.
Что это нам дает?
Исследование углубляет понимание мира на атомном уровне. Чем лучше ученые понимают физические законы, действующие в этих измерениях, тем быстрее их можно будет использовать для разработки технологий будущего.
Среди потенциальных применений – крошечные высокоэффективные квантовые моторы, способные с высокой точностью выполнять задачи на наноуровне. Возможно, однажды такие двигатели будут приводить в движение медицинские нанороботы или управлять машинами, обрабатывающими материалы на атомном уровне.
Потенциал этой технологии чрезвычайно широк и открывает множество возможностей для будущих инноваций в самых разных областях науки и техники.