Эффективность фотонного квантового двигателя приблизилась к ста процентам

Корейские физики изготовили первый в мире квантовый двигатель, использующий квантовую когерентность резервуара. Для этого они использовали в качестве рабочего тела фотонный газ в резонаторе, через который пролетают сверхизлучающие атомы. Таким способом им удалось достичь 98-процентной эффективности двигателя. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Квантовые тепловые двигатели, впервые описанные Сковилом и Шульцем-Дюбуа в 1959 году, могут превзойти свои классические аналоги за счет использования квантово-механических принципов. Для этого рабочее тело должно обладать дискретной энергетической структурой, а потому на его роль пока годятся только атомы, молекулы или наночастицы. Подробнее о принципе их работы читайте в материале «Двигатель квантового сгорания».

Главной особенностью квантовых тепловых двигателей считается их способность обладать эффективностью, превышающей эффективность цикла Карно — предел, ограничивающий классические тепловые машины. Достичь такого превосходства удалось сравнительно недавно на уровнях NV-центров в алмазе, часть из которых играла роль рабочего тела, а часть — резервуаров. Физики повторили этот успех и с квантовыми двигателями иной природы, например, нанопластиной арсенида галлия.

Важно, что принципы квантового двигателя универсальны: они оперируют абстрактными квантовыми системами, что дает ученым гибкость в их реализации. Среди прочего интерес представляет использование фотонов в резонаторе в качестве рабочего тела, поскольку в этом случае также реализуется дискретность состояний. Более того, было показано, что фотонные двигатели могут быть существенно усилены благодаря явлению сверхизлучения — то есть коллективному испусканию атомами света. Его интенсивность пропорциональна квадрату числа атомов, а значит, это позволит быстро масштабировать выходную мощность двигателя. Несмотря на такие перспективы, фотонные квантовые двигатели с применением сверхизлучения еще никто не реализовывал.

Впервые это удалось сделать группе корейских физиков под руководством Ан Гён Вон (Kyungwon An) из Сеульского национального университета. Они показали, что использование сверхизлучения способно существенно увеличить эффективность квантового двигателя за счет большой разницы между температурой рабочего тела и резервуаров, а также допускает его нелинейное масштабирование. В своем эксперименте исследователи добились коэффициента полезного действия, равного 98 процентам.

В качестве рабочего тела физики использовали состояние фотонов в резонаторе, через которые пролетали атомы бария, а в качестве резервуара — сами атомы, связанные с полем резонатора. Впрыск атомов перпендикулярно оси резонатора они производили через пластину с периодически расположенными отверстиями. Период был выбран равным длине волны резонансной моды, чтобы взаимодействие всех атомов со светом было сфазировано. Авторы имели возможность отстраивать частоту лазера и частоту резонанса от частоты перехода в атоме, соответствующей длине волны 791 нанометр. В тот момент, когда первые две оказывались равны, атомы сверхизлучали.

Цикл, в котором работал фотонный двигатель, напоминал классический цикл Стирлинга. В роли объема выступала отстройка резонатора от атомной частоты, измеряемая в мегагерцах. Давление же, создаваемое фотонным газом на стенки резонатора, ученые характеризовали средним числом фотонов, которое также поддавалось измерению в эксперименте. В этих двух координатах цикл представлял собой замкнутый прямоугольник.

На первом этапе цикла A→B физики согласовывали частоты лазера и резонатора, немного отличающиеся от атомной частоты. В течение одной микросекунды число фотонов изохорно росло, увеличивая давление на стенки. На этапе расширения B→C авторы синхронно отстраивали обе частоты еще дальше от атомной, что соответствовало увеличению объема фотонного газа. Затем они резко меняли частоту лазера (процесс C→D), чтобы выключить сверхизлучение и привести газ в равновесие с резервуаром, уменьшив число фотонов в резонаторе. Наконец, стадия сжатия D→A возвращала цикл к исходной точке.

Важной особенностью такого двигателя стало соотношение температур резервуара и рабочего тела. Стоит отметить, что понятие температуры в такой системе несколько отличается от температуры атомных и молекулярных газов, в случае которых она становится мерой их средней кинетической энергии. Здесь температура выступает в роли меры статистических свойств системы, поэтому ее называют эффективной. Значения эффективных температур существенно выше (тысячи кельвин), чем привычные температуры, поскольку они характеризуют более высокоэнергичные процессы, чем броуновское движение.

В отсутствии сверхизлучения фотонный газ находится в термодинамическом равновесии с атомами: в такой ситуации эффективная температура довольно точно характеризует распределение системы по степенями свободы. В сверхизлучательном же режиме равновесия нет. Тем не менее физики все равно вводят эффективную температуру для такого состояния, равную температуре эквивалентного равновесного состояния с таким же энергообменом.

Примечательно, что эффективная температура резервуара постоянна весь цикл, в то время как температура газа то растет, то возвращается к резервуарному значению. Это делает изменение энтропии за замкнутый цикл нулевым. Авторы определяли температуру резервуара через связь атомов с резонатором, а температуру фотонного газа — через отношение числа фотонов в текущем (например, сверхизлучающем) состоянии к равновесному числу фотонов.

Строя зависимость температуры газа от среднего числа атомов в резонаторе, они увидели ее нелинейный рост, как того предписывает явление сверхизлучения. Для двух атомов в резонаторе отношение температуры газа к температуре резервуара достигло 40, из-за чего эффективность двигателя оказалась равной 98 ± 4 процента. И хотя фактически число атомов в резонаторе штучно, на интенсивность сверхизлучения влияет то, как часто они успевают провзаимодействовать с полем. В представленном опыте это происходило в среднем 20 раз на время пролета атома.

Работа построенного двигателя за один цикл довольно мала — порядка 10⁻²⁸ джоулей, — поэтому пока речь не идет о практическом применении таких устройств. Вместе с тем, это первая реализация теплового двигателя, использующего квантовую когерентность резервуара, что позволило приблизиться к стопроцентной эффективности. Результат работы авторов также представляет собой универсальную платформу для будущих исследований квантовой термодинамики.

Ранее мы рассказывали, как физики пытались увеличить эффективность квантового двигателя с помощью магнитного резонанса ядер углерода.

Марат Хамадеев