Результаты знаменуют собой фундаментальный сдвиг в термодинамике.
Принцип Карно, второй закон термодинамики, был разработан для крупных макроскопических объектов.
Штутгартский университет / Институт физики V / Вольфрам Шайбле
Группа исследователей из Германии совершила ошеломляющий теоретический прорыв, способный переосмыслить один из старейших принципов физики, продемонстрировав, что это больше не справедливо для объектов атомного масштаба.
Результаты исследований, проведенных профессором физики Эриком Лутцем и научным сотрудником-постдоком Милтоном Агиларом из Штутгартского университета, показывают, что квантовые системы могут превышать предел эффективности, определяемый принципом Карно.
Закон, разработанный французским физиком Николя Леонаром Сади Карно в 1824 году, является центральным законом термодинамики, который остается неизменным на протяжении двух столетий.
В нем говорится, что все тепловые двигатели, работающие между одними и теми же двумя термическими или тепловыми резервуарами, не могут иметь КПД, превышающий КПД обратимого теплового двигателя, работающего между теми же резервуарами.
«Наши результаты предоставляют единый формализм для определения эффективности коррелированных микроскопических квантовых машин», — заявили два физика.
Преодоление термодинамических ограничений
По мнению исследователей, Карно определил максимальный КПД тепловых двигателей. Он разработал свой принцип, второй закон термодинамики, для крупных макроскопических объектов, таких как паровые турбины.
«Однако теперь мы смогли доказать, что принцип Карно должен быть расширен для описания объектов атомного масштаба, например, сильно коррелированных молекулярных двигателей», — заявили исследователи.
Однако, хотя Карно и показал, что чем больше разница между горячим и холодным, тем выше максимально возможная эффективность тепловой машины, этот принцип не учитывает влияние так называемых квантовых корреляций.
Источник: Штутгартский университет / Институт теоретической физики I
Вопреки предыдущим представлениям, двое исследователей обнаружили, что как только вы попадаете в квантовую сферу, где частицы становятся коррелированными и взаимодействуют способами, которые бросают вызов классической физике, предел эффективности Карно начинает рушиться.
«Это особые связи, которые образуются между частицами в очень малых масштабах», — заявили они. «Впервые мы вывели обобщённые законы термодинамики, которые полностью объясняют эти корреляции».
Их результаты показывают, что тепловые машины, работающие на атомном уровне, способны преобразовывать не только тепло, но и корреляции в полезную работу. Более того, эти системы могут генерировать больше энергии, что позволяет КПД квантового двигателя превзойти традиционный предел Карно.
Переосмысление квантовой физики
По словам исследователей, результаты исследования углубляют мировые знания на атомном уровне. Кроме того, они открывают новые пути к созданию сверхэффективных квантовых двигателей и нанотехнологий.
«Микроскопические двигатели, размером не больше одного атома, могут стать реальностью в будущем», — пояснил Лутц в пресс-релизе. «Теперь также очевидно, что эти двигатели могут достигать более высокой максимальной эффективности, чем более крупные тепловые двигатели».
Они убеждены, что чем лучше учёные поймут физические законы, управляющие этими крошечными размерами, тем быстрее человечество сможет использовать их для создания технологий будущего. К ним, среди прочего, относятся сверхэффективные квантовые двигатели, способные выполнять точные задачи в наномасштабе.
«Возможно, когда-нибудь такие двигатели будут питать медицинские наноботы или управлять машинами, обрабатывающими материалы на атомном уровне», — заключили два исследователя. «Потенциал невероятно разнообразен».
Исследование под названием «Коррелированные квантовые машины за пределами стандартного второго закона» опубликовано в журнале Science Advances.
Sourse: interestingengineering.com
