Квантовые световые двигатели: как согласовать термодинамику с физикой атомов
Когда машина состоит всего из одного атома и нескольких частиц света, где проходит граница между теплом и полезной работой?
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
В эпоху квантовых технологий этот на первый взгляд абстрактный вопрос становится вполне практическим: нужно научиться описывать крошечные «квантовые двигатели» так, чтобы классическая термодинамика и квантовая физика не противоречили друг другу. Ученые из Базельского университета (Швейцария) предложили теоретическую схему, которая примиряет оба подхода в одном описании.
Термодинамика появилась в XIX веке, эта наука была нужна для понимания работы паровых машин и больших установок, где важны средние характеристики огромного числа частиц. Квантовая физика XX века, наоборот, описывает поведение отдельных атомов и субатомных частиц. Сегодня эти миры все чаще пересекаются: системы из одного-двух атомов и фотонов могут принимать энергию, перерабатывать ее и отдавать, действуя как микроскопические квантовые машины.
Задача в том, чтобы получить единую систему, которая будет работать и для полностью квантового описания, и в так называемом полуклассическом пределе, когда часть системы рассматривается как квантовая, а часть — по законам классической физики. Группа профессора Патрика Поттса из Базеля представила такую теорию.
В качестве модельного примера физики рассмотрели атом, помещенный в оптический резонатор между двумя зеркалами. Атом может поглощать и испускать фотоны, в резонатор непрерывно поступает свет от лазера, а часть света утекает через полупрозрачные зеркала. «Это классический учебный пример так называемой управляемой и рассеивающей системы, которая постоянно получает энергию и одновременно теряет ее в окружающую среду», объясняет постдок Марсело Янович. В такой конфигурации атом ведет себя как миниатюрный тепловой двигатель — или, точнее, «световой двигатель».
Ранее Поттс и коллеги показали, что фотоны, покидающие резонатор, нельзя автоматически записывать в «отходы» в виде тепла: часть их энергии можно использовать для совершения работы над другим квантовым объектом. В новой работе они проверили, что происходит с этим разделением на тепло и полезную энергию, когда система приближается к полуклассическому пределу.
В этом пределе сам атом по-прежнему описывают как квантовую систему с дискретными уровнями энергии, а свет уже как классическую электромагнитную волну, без явных квантовых эффектов. «Классическое описание света сильно упрощает задачу: становится легче отделить часть энергии, которая может идти на работу, от хаотического тепла», говорит Янович. Ключевой тест для любой квантовой термодинамической теории — такое классическое поведение должно возникать из нее естественным образом, а не подставляться вручную.
Расчеты авторов показали, что в их подходе это возможно: если часть излученного света трактовать как работу, теория плавно переходит к ожидаемому полуклассическому результату. В стандартном же описании, где вся энергия, выходящая из резонатора, считается теплом, такого согласованного перехода не получается.
Дополнительно расчеты показали, что квантовые эффекты могут уменьшать флуктуации в потоке испускаемых фотонов. Обычно тепло и шум мешают управлять квантовыми системами, но здесь они могут превратиться в ресурс. Подходящие состояния света с подавленными флуктуациями особенно ценны для сверхточных измерений в квантовой метрологии.
Понимание границы между теплом и полезной работой на квантовом уровне не только важно для теории, но и может помочь извлечь пользу из энергии, которую мы раньше считали безвозвратно потерянной.
Ранее инженеры соединили бактерии и превратили их в живые транзисторы.
ФизикаПоделиться
