Відкритий 200 років тому закон фізики можна порушити на рівні атомів

Чому класична термодинаміка не працює в квантовому світі?

Дослідники з Університету Штутгарта продемонстрували, що принцип Карно (основоположне правило термодинаміки, сформульоване французьким фізиком Саді Карно майже два століття тому) не діє для систем атомного масштабу зі взаємопов'язаними фізичними властивостями. Результати роботи можуть стати ключем до розробки надзвичайно компактних і енергоефективних квантових двигунів, пише 24 Канал з посиланням на SciTechDaily.

Класичні теплові машини, включно з двигунами внутрішнього згоряння та паровими турбінами, функціонують завдяки перетворенню теплової енергії на механічний рух. Проте останні досягнення в галузі квантових експериментів дозволили зменшити розміри теплових двигунів до мікроскопічних масштабів.

Професор Ерік Лутц з Інституту теоретичної фізики Університету Штутгарта зазначає, що мініатюрні мотори розміром не більше одного атома можуть стати реальністю в майбутньому. Вчений також підкреслює, що ці двигуни здатні досягати вищої максимальної ефективності порівняно з більшими тепловими машинами, йдеться в науковому дослідженні на сторінках Science Advances.

Лутц разом із доктором Мільтоном Агіларом, постдокторантом того ж інституту, описали наукове обґрунтування цього висновку у своїй публікації. Два фізики пояснили суть свого відкриття: принцип Карно, який є другим законом термодинаміки і був розроблений для великих макроскопічних об'єктів, потребує розширення для опису систем атомного масштабу, зокрема сильно корельованих молекулярних моторів.

Карно встановив, що різниця температур має вирішальний вплив на ефективність: чим більша різниця між гарячим і холодним джерелом, тим вища максимально можлива ефективність теплового двигуна. Однак класичний принцип не враховує вплив квантових кореляцій – особливих зв'язків, що формуються між частинками на надзвичайно малих масштабах.

Науковці вперше вивели узагальнені закони термодинаміки, які повністю враховують ці кореляції.

Отримані результати демонструють, що теплові машини, які працюють на атомному рівні, можуть перетворювати не лише тепло, а й самі кореляції в корисну роботу.

Завдяки цьому вони здатні виробляти більше ефективності, а результат роботи квантового двигуна може перевищувати традиційну межу Карно.

Що це нам дає?

Дослідження поглиблює розуміння світу на атомному рівні. Чим краще науковці розуміють фізичні закони, що діють у цих вимірах, тим швидше їх можна буде використати для розробки технологій майбутнього.

Серед потенційних застосувань – крихітні високоефективні квантові мотори, здатні з високою точністю виконувати завдання на нанорівні. Можливо, одного дня такі двигуни приводитимуть у рух медичні нанороботи або керуватимуть машинами, що обробляють матеріали на атомному рівні.

Потенціал цієї технології надзвичайно широкий і відкриває безліч можливостей для майбутніх інновацій у найрізноманітніших галузях науки та техніки.