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

Forskare i Kina har visat värme som flyter från kallt till varmt i ett kvantsystem, vilket potentiellt kräver uppdateringar av termodynamikens andra lag. Med en molekyl som qubits manipulerade teamet kvantinformation för att uppnå denna omvändning. Upptäckten belyser skillnader mellan klassisk och kvantfysik.

Rapporterad av AI

Forskare vid TU Wien har utvecklat ett kvantsystem med ultrakalla rubidiumatomer som låter energi och massa flöda med perfekt effektivitet och trotsar vanlig resistans. Instängda på en enda linje kolliderar atomerna oändligt utan att sakta ner, och efterliknar ett Newtons vagel. Upptäckten, publicerad i Science, belyser en ny form av transport i kvantgaser.

Forskare har experimentellt observerat en dold kvantgeometri i material som styr elektroner på liknande sätt som gravitationen böjer ljus. Upptäckten, gjord vid gränsytan mellan två oxidsmaterial, kan främja kvantelektronik och supraledning. Publicerad i Science, framhäver resultaten en länge teoretiserad effekt som nu bekräftats i verkligheten.

Rapporterad av AI

För första gången har forskare demonstrerat att ljus beter sig som kvant Hall-effekten, ett fenomen som tidigare endast observerats hos elektroner. Fotoner drivs nu sidledes i kvantiserade steg bestämda av fundamentala konstanter. Detta genombrott kan förbättra precisionsmätningar och främja kvantfotontiska teknologier.

 

 

 

Denna webbplats använder cookies

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