В реальных физических процессах часть энергии всегда теряется. Потери энергии почти всегда происходят из-за трения, особенно в процессах, которые включают механическое движение. Но в новом исследовании физики разработали двигатель, который работает с нулевым трением, производя электроэнергию за счет использования квантовых взаимодействий.

Законы термодинамики успешно описывают принципы работы в самых разнообразных системах: от холодильников до черных дыр, при условии, что системы являются макроскопическими. Но для квантовых технологий микро- и наномасштаба квантовые флуктуации, которые незначительны на больших масштабах, начинают становиться заметными. Как показали предыдущие исследования, большие квантовые эффекты требуют полной переформулировки законов термодинамики.

Как будет выглядеть квантовый вариант термодинамики, пока неизвестно. Однако один интригующий вопрос состоит в том, возможно ли построить обратимый квантовый двигатель — тот, в котором эксплуатация двигателя может быть полностью изменена без диссипации энергии (адиабатный процесс).

В новой работе физики показали пример квантового двигателя, который является «суперадиабатным». То есть, двигатель использует квантовые взаимодействия, чтобы достичь состояния, которое обычно достигается только медленными адиабатными процессами. Этот двигатель может достичь состояния, полностью лишенного трения. Другими словами, двигатель достигает своей максимальной эффективности, генерируя при этом некоторую энергию.

«Нам удалось сымитировать, что может быть достигнуто путем запуска цикла квазистатически, то есть очень медленно, при выполнении преобразования в конечный промежуток времени, — сказал соавтор работы Мауро Патерностро из Королевского университета в Белфасте, Великобритания. — Теперь рассмотрим пример сжатия или расширения — этап пробега цикла с использованием поршня. Если делать это в конечное время, то есть с ненулевой скоростью, трение может повлиять на производительность преобразования. Эффект трения гасит производительность цикла, как и в квазистатическом двигателе».

Эта работа является одним из первых шагов в слиянии квантового управления и термодинамики.

В целом, результаты указывают на возможность создания двигателя без трения, работающего с максимальной эффективностью, что имеет значение в проектировании микро- и нанодвигателей, работающих на грани квантовых масштабов.

Источник