突破熱機效率極限、掀起新工業革命?提出60年的「量子熱機」概念被...

2020-11-30 前瞻網

突破熱機效率極限、掀起新工業革命？提出60年的「量子熱機」概念被實現了

 黃琨 • 2019-12-31 10:48:42　來源：前瞻網　E1658G0

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大約60年前，貝爾實驗室的兩位物理學家斯科維爾(Scovil)和舒爾茨-杜布瓦(Schulz-DuBois)首次提出了微波激射器，「量子熱機」概念因此而生。顧名思義，量子熱機是以「量子物質」為工作物質對並外做功的熱機。

在隨後的幾年裡，其他研究人員在斯科維爾和舒爾茨-杜布瓦的思想基礎上發展了各種各樣的理論，提出了關於量子尺度上熱力學循環的想法。隨著科學探索的深入，近年來，物理學家們逐漸有了在實驗環境中測試這些理論的機會。

其中一項實驗是由滑鐵盧大學、美國聯邦大學和巴西科學中心聯合進行的，他們在實驗室環境中成功演示了一個基於自旋1/2系統和核磁共振技術的自旋量子熱機，相關論文發表在了著名物理學周刊《Physical Review Letters》上。

在論文《自旋量子熱機的實驗表徵》(Experimental Characterization of a Spin Quantum Heat Engine)概述中，他們寫道：「通過評估與功和熱流有關的能量波動，顯微鏡尺度下的不可逆性得以確定。另外我們還研究了有限時間與熵產生相關的效率滯後。該熱機在熱和量子漲落(與瞬時能量本徵態之間的躍遷有關)都與其描述相關的狀態下工作。在最大功率下執行量子奧託循環,概念驗證量子熱機效率能夠實現非常接近其熱力學極限(η= 44%)的提取(η≈42%)。」

在實驗中，研究人員利用射頻場來操縱碳13同位素的核自旋，創造了一個奧託循環。研究人員解釋：「2種可能的核自旋狀態(比如向上和向下)之間的能量增減，就類似於汽車發動機中的活塞膨脹和壓縮。」

其結果是，「在目前的實驗中，除了量子尺度上的不可逆性外，我們能夠描述功和熱的所有能量波動。」

量子熱機研究最重要的意義在於，理論上，量子熱機對外做功量比經典熱機要多，而且其熱機效率可以超越經典熱機的效率上限。

研究人員之一的羅伯託·塞拉(Roberto Serra)表示：「這一新興領域也與量子技術的發展有關，這預示著一場納米級的新工業革命，將會帶來計算、通信、傳感器等領域的顛覆性設備。」

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