Ученые из Университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии создали прототип квантового двигателя. Успешная коммерческая разработка может привести к появлению нового поколения квантовых энергетических устройств, таких как квантовые батареи.
По данным, изложенным немецкими учёными в научном издании… Создание квантового двигателя технически осуществимо. Принцип его действия базируется не на сжигании топлива или химических реакциях, а на непрерывном изменении квантовых свойств частиц, находящихся внутри системы.
Ученые при испытании устройства использовали атомы лития. Эффективность системы равна 25%, что пока мало, но может возрасти при продолжении исследований, как полагают авторы. Авторы признают, что квантовые двигатели, в том числе их модель, находятся на экспериментальной стадии, но уверены: при оптимизации для конкретных задач они найдут быстрое революционное применение.
Изменение состояния
В квантовом мире частицы классифицируются как фермионы или бозоны. Эти категории определяют различные типы частиц. Фермионы подчиняются принципу исключения Паули, запрещающему им одновременное нахождение в одном и том же квантовом состоянии. Бозоны могут находиться в одном квантовом состоянии одновременно. От принадлежности к классу фермионов или бозонам зависит поведение группы частиц.
Учёные разработали метод воздействия на группу атомов, заставляя их поочерёдно вести себя как бозоны и фермионы в замкнутом цикле. Такое управляемое чередование позволило создать функционирующую квантовую машину.
Эксперимент будет проводиться при очень низких температурах, когда тепловые эффекты минимальны. Для этого исследователям необходимо охладить атомы лития до температуры, близкой к абсолютному нулю. В таком состоянии квантовые эффекты проявляются наиболее ярко и поддаются управлению.
Квантовый цикл
С помощью магнитных полей воздействовали на поведение атомов лития так, чтобы те вели себя коллективно как фермионы или бозоны. Перед этим необходимо было заставить атомы лития образовать пары. Именно эти молекулярные пары и являются объектами манипуляций.
Атомы лития первоначально настроили так, чтобы вести себя как бозоны. С помощью магнитного поля их сжатие увеличивало плотность. Затем исследователи применили воздействие, чтобы они вели себя как фермионы. Переход из бозонного состояния в фермионное повышает коллективную энергию системы. В контексте двигателя этот прирост энергии принципиален, так как именно её можно использовать.
Превращение лития в псевдофермионы давало возможность ему расширяться или дилатироваться. После расширения под действием магнитного поля атомы возвращались в бозонное состояние, уменьшая коллективную энергию системы. В результате квантовый двигатель сжимает газ бозонов и расширяет газ фермионов. Этот цикл схож с работой обычного двигателя (например, теплового), где топливо циклически сжимается и расширяется, производя механическую работу.