Физики продемонстрировали тепловой квантовый двигатель

Ученые разработали квантовый двигатель, КПД которого близок к максимально возможному значению в своем классе. Двигатель работает по циклу Отто на топливе из ядер углерода с полуцелым спином, которые выделяют энергию за счет ядерного магнитного резонанса. Работа опубликована в журнале Physics Review Letters.
В 1959 году физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois) впервые высказали идею квантового двигателя. Они показали, что трехуровневый мазер (квантовый генератор когерентных электромагнитных волн сантиметрового диапазона) можно рассматривать в качестве тепловой машины. Как правило, в качестве рабочего тела классического двигателя выбирают пары горючих смесей или водяной пар. Рабочее тело квантового двигателя — частицы, работу которых описывают законы квантовой механики. Квантовые эффекты, которые не учитывает классическая термодинамика, позволяют создавать двигатели с более высокой эффективностью.

Группа физиков во главе с Джоном Петерсоном (John Peterson) из канадского Университета Ватерлоо построила двигатель на базе ядер углерода с полуцелым спином (они выступают рабочим телом), основанный на использовании ядерного магнитного резонанса. Подобно классическому, их квантовый двигатель имеет холодильник и нагреватель — высокочастотный радиосигнал вблизи Ларморовской частоты играет роль нагревателя, роль холодильника выполняют низкочастотные моды радиоволн. Ядра углерода остужают в холодильнике, затем рабочее тело расширяют (момент получения полезной работы) при помощи радиоволны, резонирующей с ядерным спином. Далее, ядра углерода нагревают путем обмена теплотой с ядрами водорода (водород выступает переносчиком тепла), и, наконец, рабочее тело снова сжимают (производят над ним работу).

Максимальный КПД цикла Отто зависит от коэффициента сжимаемости. Максимально возможное значение для данной установки — около 44 процентов. В ходе эксперимента удалось получить КПД 42 процента — очень близкое к предельному числу, которое недоступно двигателям внутреннего сгорания с тем же коэффициентом сжимаемости. Хотя квантовый двигатель эффективнее классического, он обладает значительно меньшей мощностью. Его полезная работа за цикл — всего несколько петаэлектронвольт, то есть несколько тысячных джоуля. 

Квантовые двигатели еще невозможно применить на практике — энергия, которую они вырабатывают, очень мала. По словам ученых, сейчас гораздо важнее измерить основные характеристики двигателя и понять его сильные и слабые стороны. Эти данные дадут ученым возможность развивать технологию создания квантовых тепловых машин. Например, квантового холодильника, который был бы полезен для охлаждения квантовых компьютеров.

Самый известный термодинамический цикл — цикл Карно тоже не остался без своего квантового двигателя. Его КПД впервые превзошел максимальный КПД классического двигателя.

Олег Макаров