シュトゥットガルト大学の研究者らが、熱力学の基盤であるカルノー原理が、原子レベルでの相関粒子に対して完全に成り立たないことを示した。彼らの研究は、量子エンジンが量子相関を利用することで従来の効率限界を超えられることを明らかにした。この発見は、高効率なナノスケールモーターへの道を開く可能性がある。
ほぼ2世紀前にフランスの物理学者サディ・カルノーによって確立されたカルノー原理は、温度差に基づく熱機関の理論的最大効率を設定する。熱力学第二法則の一部を形成し、蒸気タービンや内燃機関などの大規模システムに適用され、これらは熱エネルギーを機械運動に変換する。 量子力学の進歩により、原子寸法まで縮小した微視的熱機関の開発が可能となった。シュトゥットガルト大学理論物理学I研究所のエリック・ルッツ教授とミルトン・アギラール博士は、この原理が原子スケールで強く相関したシステムに対して崩れることを実証した。このような設定では、粒子が物理的に連結され、古典熱力学では考慮されない量子効果が導入される。 研究者らは、微小システム内の粒子の間の微妙な接続である量子相関を組み込んだ一般化された熱力学法則を導出した。これらの相関により、量子エンジンは熱だけでなく相関自体を仕事に変換でき、カルノー限界を超える。「単一原子サイズの小さなモーターが将来現実となる可能性がある」とルッツ教授は語る。彼はさらに、「これらのエンジンが大型熱機関よりも高い最大効率を達成できることが明らかになった」と付け加えた。 彼らの数学的証明はScience Advancesに「Correlated quantum machines beyond the standard second law」というタイトルで掲載された。この研究は基礎物理学を洗練し、医療ナノボットを駆動したり材料を原子単位で操作したりする超小型量子モーターなどの応用を提案する。ナノスケールでの効率理解を拡大することで、この発見は量子効果が将来技術のエネルギー変換を向上させる可能性を強調している。
