Учёные из Базельского университета в Швейцарии разработали теоретическую модель, которая позволяет согласованно применять законы термодинамики к квантовым системам. Новый подход решает проблему описания энергии в микромашинах, где классические понятия тепла и полезной работы размываются. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Термодинамика, возникшая в XIX веке для описания паровых машин, и квантовая физика, изучающая мир атомов, долгое время развивались параллельно. Однако с появлением квантовых технологий, где устройства состоят из отдельных атомов и фотонов, потребовалось объединить эти две области. Такие микроскопические машины, как и их крупные аналоги, поглощают, преобразуют и выделяют энергию.
В качестве модели исследователи рассмотрели систему из одного атома, помещённого в оптический резонатор – пространство между двумя зеркалами. В резонатор постоянно направляют лазерный луч, который поставляет фотоны, при этом часть света просачивается наружу. Такая система, постоянно получающая и теряющая энергию, ведёт себя как миниатюрный «световой двигатель».
Ключевой вопрос заключается в том, как отличить бесполезно рассеянную энергию (тепло) от той, что может совершить полезную работу. Ранее та же научная группа показала, что не все фотоны, покинувшие резонатор, следует считать «отработанным теплом», поскольку часть их энергии ещё можно использовать.
Новая работа проверяет эту идею в условиях так называемого полуклассического предела. В этом режиме атом по-прежнему описывают законами квантовой механики, а свет рассматривают как классическую электромагнитную волну. Учёные математически доказали, что их теория обеспечивает плавный и непротиворечивый переход от полного квантового описания к полуклассическому – но только если часть выходящего света считать полезной работой. Традиционные подходы, где вся уходящая энергия считается теплом, в этом пределе дают неверный результат.
Кроме того, расчёты показали, что квантовые эффекты в такой системе могут снижать флуктуации в потоке выходящих фотонов. Это открывает возможность превращать тепло, обычно считающееся источником помех, в полезный ресурс. Например, эффект можно использовать для создания особых состояний света, необходимых для сверхточных измерений в квантовой метрологии. Таким образом, понимание границы между теплом и работой помогает использовать энергию, которая раньше считалась потерянной.
