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.
