Идея квантового теплового двигателя была впервые предложена около 60 лет назад физиками из Лаборатории Белла, которые провели аналогию между трехуровневыми мазерами и тепловыми машинами. В последующие годы другие исследователи разработали эти теории и ввели в них концепцию термодинамических циклов в квантовом масштабе. Но лишь совсем недавно физики начали проверять некоторые из этих теорий экспериментально.

Один из таких экспериментов был проведен недавно командой исследователей из Университета Уортерлу (Канада) и Федерального университета ABC (Бразилия). Они успешно продемонстрировали спиновой квантовый тепловой двигатель в лабораторных условиях, рассказывает Phys.org.

Ученые использовали в прототипе квантового теплового двигателя ядерный спин в молекуле хлороформа и метод ядерного магнитного резонанса. При помощи радиочастотного поля они управляли ядерным спином изотопа углерода-13, получив в итоге цикл Отто — термодинамический цикл, который применяется в большинстве обычных моторов.

«Разница энергий между двумя возможными ядерными спинами (пусть они движутся вверх и вниз) повышалась и понижалась наподобие поступательного движения поршня в двигателе автомобиля, — объяснил Роберто Серра, один из исследователей. — При таких обстоятельствах ядерные спины в молекуле могут абсорбировать тепло радиоволн и отдавать его им».

Флуктуации энергии играют важную роль в данном квантовом сценарии. Их измерение в термодинамическом цикле было сложнейшей задачей эксперимента — и ее успешно решили.

Ученые обнаружили, что квантовый тепловой двигатель, выполняющий цикл Отто на максимальной мощности, может добиться коэффициента полезного действия в размере 42%, то есть почти на границе термодинамического лимита (44%).

Этот эксперимент — одна из первых демонстраций возможности создания спинового квантового теплового двигателя. Его разработка способствует развитию квантовых технологий и созданию прорывных компьютеров, сенсоров и устройств связи.

В прошлом году физики из Германии и Чехии представили новый тип теплового двигателя, работающего на пределе законов физики. При определенных условиях, уверены они, можно создать действующий идеальный тепловой двигатель Карно.