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
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.