Немецкие исследователи разрабатывают квантовый двигатель на основе лития

Исследователи из Университета Кайзерслаутерн-Ландау (Германия) разработали прототип квантового двигателя. Если его разработка приведет к созданию коммерчески жизнеспособной версии, то он может стать основой для нового поколения перспективных квантовых энергетических устройств, включая квантовые батареи.

Согласно результатам, опубликованным немецкими исследователями в журнале Nature, создание квантового двигателя технически возможно. Механизм работы такой системы основан не на сгорании топлива или химической реакции, а на постоянном изменении квантовых свойств находящихся внутри частиц.

В рамках эксперимента по проверке экспериментального устройства ученые решили использовать атомы лития. КПД системы составляет 25%, что относительно мало, но может быть улучшено при дальнейших исследованиях, считают авторы. Хотя авторы признают, что квантовые двигатели, в том числе и их модель, пока находятся на экспериментальной стадии, они настаивают на том, что если их оптимизировать для конкретных практических случаев, то они могут быстро найти революционное применение.

Изменение состояния

В квантовом мире каждая частица классифицируется либо как фермион, либо как бозон. Эти две категории являются фундаментальными и описывают совершенно разные типы частиц. Фермионы подчиняются принципу исключения Паули, который подразумевает, что два фермиона никогда не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. С другой стороны, несколько бозонов могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Поэтому коллективное поведение группы частиц зависит от того, к какому классу они относятся — фермионам или бозонам.

Исследователи нашли способ манипулировать набором атомов таким образом, чтобы они меняли свое поведение попеременно как бозоны и фермионы, причем циклически. Это управляемое чередование было использовано для обеспечения работы квантового двигателя.

Эксперимент предполагает использование очень низких температур, при которых тепловые эффекты снижаются. Поэтому исследователям пришлось охладить атомы лития до температуры, близкой к абсолютному нулю. При этом атомы лития находятся в состоянии, при котором квантовые эффекты наиболее очевидны и наиболее управляемы.

Квантовый цикл

Затем с помощью магнитных полей они воздействовали на поведение атомов лития таким образом, чтобы они вели себя коллективно как фермионы или бозоны. Но прежде чем проводить эти манипуляции, необходимо было заставить атомы лития образовать пары. Эти молекулярные пары и являются теми объектами, которыми манипулируют, как описано выше.

Атомы лития изначально были подготовлены к тому, чтобы вести себя как бозоны. С помощью магнитного поля их сжимали, увеличивая тем самым их плотность. Затем исследователи воздействовали на них, чтобы они вели себя как фермионы. Переход из бозонного состояния в фермионное увеличивает коллективную энергию системы. В контексте двигателя этот прирост энергии имеет решающее значение, поскольку именно эта энергия может быть использована.

Превращение в псевдофермионы позволило литию расширяться или дилатироваться. После расширения и под действием магнитного поля атомы возвращались в бозонное состояние, уменьшая коллективную энергию системы. Другими словами, квантовый двигатель сжимает газ бозонов и расширяет газ фермионов. Этот цикл аналогичен циклу работы обычного двигателя (например, теплового), в котором топливо циклически сжимается и расширяется, производя механическую работу.