Двое физиков из Штутгартского университета продемонстрировали, что принцип Карно – фундаментальное правило термодинамики – не в полной мере применим на атомном уровне, когда частицы физически связаны друг с другом. Их выводы, опубликованные в журнале «Science Advances», показывают, что давно установленный предел эффективности перестает действовать для крошечных систем, управляемых квантовыми эффектами. Эта работа может ускорить создание сверхмалых и энергоэффективных квантовых двигателей.
Традиционные тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания или паровые турбины, преобразуют тепловую энергию в механическую работу. Однако за последние годы достижения в области квантовой механики позволили исследователям уменьшить тепловые машины до микроскопических размеров. «Крошечные двигатели размером не больше одного атома могут стать реальностью в будущем, – отмечает профессор Эрик Лутц из Института теоретической физики Штутгартского университета. – Теперь очевидно, что эти двигатели могут достигать более высокого максимального КПД, чем их крупные аналоги».
Почти два столетия назад французский физик Сади Карно установил теоретический максимум эффективности, которого может достичь любой тепловой двигатель. Этот принцип, позже ставший частью второго закона термодинамики, был сформулирован для крупномасштабных систем. Немецкие исследователи доказали, что его необходимо расширить применительно к системам атомного масштаба, особенно для двигателей с так называемыми сильными корреляциями, где частицы тесно взаимосвязаны способами, не учтенными в классической термодинамике.
Классическая формула Карно показывает, что эффективность зависит от разницы температур между горячим и холодным резервуарами. Однако она не включает в себя влияние квантовых корреляций – тонких взаимосвязей, возникающих между частицами в экстремально малых системах. Ученые впервые вывели обобщенные термодинамические законы, которые полностью учитывают эти корреляции. Их результаты показывают, что тепловые машины атомного масштаба могут преобразовывать в работу не только тепло, но и сами квантовые корреляции. Благодаря этому дополнительному вкладу такие машины способны производить больше работы, чем допускает классическая теория, а их эффективность – превышать традиционный предел Карно.
Помимо уточнения фундаментальных законов физики, это исследование открывает новые горизонты для будущих технологий. Глубокое понимание того, как физические законы действуют на атомном уровне, может ускорить разработку технологий следующего поколения. Среди них – сверхмалые и высокоэффективные квантовые двигатели, способные выполнять точные наноразмерные задачи, например, приводить в действие медицинских нанороботов или управлять устройствами, манипулирующими материалами на уровне отдельных атомов.
