Fysiker utmanar Carnots princip på atomskala

Forskare vid Universität Stuttgart har visat att Carnots princip, en hörnsten i termodynamiken, inte helt håller för korrelerade partiklar på atomnivå. Deras arbete visar att kvantmotorer kan överträda den traditionella effektivitetsgränsen genom att utnyttja kvantkorrelationer. Upptäckten kan bana väg för mycket effektiva nanomotors.

Carnots princip, som fastställdes för nästan två århundraden sedan av den franske fysikern Sadi Carnot, anger den teoretiska maxeffektiviteten för värmemotorer baserat på temperaturdifferenser. Den är en del av termodynamikens andra lag och gäller för storskaliga system som ångturbiner och förbränningsmotorer, som omvandlar termisk energi till mekanisk rörelse. Framsteg inom kvantmekanik har möjliggjort utvecklingen av mikroskopiska värmemotorer, krympta till atomära dimensioner. Professor Eric Lutz och Dr. Milton Aguilar vid Institutet för teoretisk fysik I vid Universität Stuttgart har nu visat att denna princip bryts ner för starkt korrelerade system på atomskala. I sådana uppsättningar är partiklarna fysiskt sammankopplade, vilket introducerar kvanteffekter som inte beaktas i klassisk termodynamik. Forskarnas härledda generaliserade termodynamiska lagar inkluderar kvantkorrelationer – subtila kopplingar mellan partiklar i små system. Dessa korrelationer gör det möjligt för kvantmotorer att omvandla inte bara värme utan även korrelationerna själva till arbete, och överträda Carnots gräns. «Mycket små motorer, inte större än en enda atom, kan bli verklighet i framtiden», säger professor Lutz. Han tillägger: «Det är nu också tydligt att dessa motorer kan uppnå högre maxeffektivitet än större värmemotorer». Deras matematiska bevis publicerades i Science Advances med titeln «Correlated quantum machines beyond the standard second law». Denna forskning förfinar grundläggande fysik och föreslår tillämpningar i ultras små kvantmotorer för uppgifter som att driva medicinska nanobots eller manipulera material atom för atom. Genom att utöka förståelsen av effektivitet på nanoskala belyser resultaten hur kvanteffekter kan förbättra energikonvertering i framtida teknologier.

Relaterade artiklar

A physicist has proposed rebuilding the foundations of thermodynamics using gauge theory, a mathematical framework from quantum fields. The approach aims to address long-standing imprecision in the 200-year-old theory. It was presented at a conference in June.

Rapporterad av AI

Researchers have created a new quantum state known as a fractional Fermi sea using ultracold cesium atoms in one dimension. The work, published in Physical Review Letters, shows particles organizing in ways that exceed standard theories.

Researchers at Nanjing University have identified a new quantum state of matter in a thin carbon material that electrons neither fully two-dimensional nor three-dimensional. The discovery, termed the transdimensional anomalous Hall effect, emerged unexpectedly during experiments in magnetic fields. Lei Wang and his team confirmed the phenomenon after a year of analysis.

Rapporterad av AI

Researchers have produced an exotic molecule that looks like a butterfly, with electron wings, by combining giant and normal-sized rubidium atoms. The achievement completes a two-decade search for a family of such giant molecules and may enable further advances in quantum science.

Denna webbplats använder cookies

Vi använder cookies för analys för att förbättra vår webbplats. Läs vår integritetspolicy för mer information.
Avböj