Эффективность фотонного квантового двигателя приблизилась к 100%

Физики из Сеульского национального университета построили первый в мире квантовый двигатель, использующий квантовую когерентность резервуара. Для этого они использовали в качестве рабочего тела фотонный газ в резонаторе, через который пролетают сверхизлучающие атомы.

Главной особенностью квантовых тепловых двигателей считается их способность обладать эффективностью, превышающей эффективность цикла Карно — предел, ограничивающий классические тепловые машины. Достичь такого превосходства удалось сравнительно недавно на уровнях NV-центров в алмазе, часть из которых играла роль рабочего тела, а часть — резервуаров. Физики повторили этот успех и с квантовыми двигателями иной природы — нанопластиной арсенида галлия.

Принципы квантового двигателя универсальны: они оперируют абстрактными квантовыми системами, что дает ученым гибкость в их реализации. Среди прочего интерес представляет использование фотонов в резонаторе в качестве рабочего тела, поскольку в этом случае реализуется дискретность состояний. Более того, фотонные двигатели могут быть существенно усилены благодаря явлению сверхизлучения — коллективному испусканию атомами света. Его интенсивность пропорциональна квадрату числа атомов, а значит, это позволит быстро масштабировать выходную мощность двигателя. Несмотря на такие перспективы, фотонные квантовые двигатели с применением сверхизлучения еще никто не создавал.

Впервые это удалось группе южнокорейских физиков под руководством Ан Гён Вон из Сеульского национального университета. В качестве рабочего тела физики использовали состояние фотонов в резонаторе, через которые пролетали атомы бария, а в качестве резервуара — сами атомы, связанные с полем резонатора. Впрыск атомов перпендикулярно оси резонатора они производили через пластину с периодически расположенными отверстиями. Период был выбран равным длине волны резонансной моды, чтобы взаимодействие всех атомов со светом было сфазировано. Авторы имели возможность отстраивать частоту лазера и частоту резонанса от частоты перехода в атоме, соответствующей длине волны 791 нанометр. В тот момент, когда первые две оказывались равны, атомы сверхизлучали.

Строя зависимость температуры газа от среднего числа атомов в резонаторе, они увидели ее нелинейный рост, как то предписывает явление сверхизлучения. Для двух атомов в резонаторе отношение температуры газа к температуре резервуара достигло 40, из-за чего эффективность двигателя составила 98 ± 4%. 

Работа построенного двигателя за один цикл довольно мала — порядка 10−28 джоулей. Поэтому пока речь не идет о практическом применении таких устройств. Однако это первая реализация теплового двигателя, использующего квантовую когерентность резервуара, что позволило приблизиться к 100% эффективности. Кроме того, результат работы ученых представляет собой универсальную платформу для будущих исследований квантовой термодинамики.