Ученые создали двигатель, работающий на основе принципов квантовой механики

Квантовая механика — это раздел физики, изучающий свойства и взаимодействие ичастиц в очень малых масштабах, таких как атомы и молекулы. Это привело к разработке новых технологий, более мощных и эффективных по сравнению с традиционными аналогами, что стало причиной прорыва в таких областях, как вычислительная техника, связь и энергетика.

В Окинавском институте науки и технологий (OIST) исследователи из группы квантовых систем совместно с учеными из Университета Кайзерслаутерна-Ландау и Университета Штутгарта разработали и создали двигатель, основанный на особых правилах, которым подчиняются частицы в очень малых масштабах.

Они разработали двигатель, который использует принципы квантовой механики для создания энергии вместо обычного способа сжигания топлива. Работа, описывающая эти результаты, написанная в соавторстве с исследователями OIST Кирти Менон, Элоизой Куэстас, Томасом Фогарти и профессором Томасом Бушем, опубликована в журнале Nature.

В классическом автомобильном двигателе обычно смесь топлива и воздуха поджигается внутри камеры. В результате взрыва происходит нагрев газа в камере, который, в свою очередь, толкает поршень внутрь и наружу, производя работу, вращающую колеса автомобиля.

В своем квантовом двигателе ученые заменили использование тепла изменением квантовой природы частиц в газе. Чтобы понять, как это изменение может привести двигатель в действие, необходимо знать, что все частицы в природе могут быть классифицированы как бозоны или фермионы в зависимости от их особых квантовых характеристик.

При очень низких температурах, когда квантовые эффекты становятся важными, бозоны имеют более низкое энергетическое состояние, чем фермионы, и эта разница в энергии может быть использована для питания двигателя. Вместо того чтобы циклически нагревать и охлаждать газ, как это делает классический двигатель, квантовый двигатель работает за счет превращения бозонов в фермионы и обратно.

Чтобы превратить фермионы в бозоны, можно взять два фермиона и объединить их в молекулу. Эта новая молекула и есть бозон. Разбив ее на части, мы можем снова получить фермионы. Циклически повторяя эти действия, мы можем питать двигатель без использования тепла, — пояснил профессор Томас Буш, руководитель группы квантовых систем.

Хотя этот тип двигателя работает только в квантовом режиме, группа обнаружила, что его эффективность достаточно высока и может достигать 25% при использовании экспериментальной установки, созданной сотрудниками в Германии.

Этот новый двигатель является интересным достижением в области квантовой механики и способен привести к дальнейшему прогрессу в бурно развивающейся области квантовых технологий. Но означает ли это, что в скором времени квантовая механика будет использоваться в двигателях наших автомобилей?

Хотя эти системы могут быть высокоэффективными, мы вместе с нашими коллегами-экспериментаторами провели лишь пробную версию концепции, — поясняет Кирти Менон.

В создании полезного квантового двигателя еще много проблем.

При слишком высокой температуре тепло может разрушить квантовые эффекты, поэтому исследователи должны поддерживать систему как можно более холодной. Однако это требует значительных затрат энергии для проведения эксперимента при таких низких температурах, чтобы защитить чувствительное квантовое состояние.

Следующие шаги в исследовании будут связаны с решением фундаментальных теоретических вопросов о работе системы, оптимизацией ее производительности и изучением возможности ее применения в других широко используемых устройствах, таких как батареи и датчики.

Фото: Mirijam Neve

27.09.2023