Физики из Японии и Германии создали квантовый аналог механического двигателя

Группа немецких и японских физиков разработала новый подход, который использует охлажденные до абсолютного нуля частицы-фермионы и бозоны для создания особого типа "квантовых двигателей". Эти двигатели способны преобразовывать энергию этих частиц в механическую работу с очень высокой эффективностью. Эту информацию сообщила пресс-служба Окинавского института науки и технологий.

Физики предложили использовать процесс превращения фермионов в бозоны и наоборот. Для этого они соединили две фермионные частицы в одну молекулу, а затем разъединили их, превратив бозон обратно в пару фермионов. Путем циклических превращений такого рода можно использовать энергию частиц для работы двигателя, минуя использование тепла.
Профессор Томас Буш из Окинавского института науки и технологий описывает, что в предыдущих исследованиях ученые использовали квантовые частицы воздействия для создания микромасштабных аналогов механических двигателей, но все они использовали тепло, как и классические двигатели. В этот раз ученым удалось использовать только квантовые процессы для преобразования энергии в механическую работу.

Установка, разработанная исследователями, использует особенности частиц микромира. Они делятся на два типа: бозоны и фермионы. Бозоны включают фотоны, носители фундаментальных сил взаимодействия, а также атомы с четным числом протонов и молекулы. Фермионы включают электроны, протоны и другие элементарные частицы с полуцелым спином, а также атомы с нечетным числом протонов и электронов.

Физики обратили внимание, что при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, бозоны всегда имеют более низкую энергию, чем фермионы. Они решили использовать циклические превращения фермионов в бозоны и обратно, чтобы использовать эти частицы для передачи энергии и приведения в движение квантовых аналогов тепловых двигателей.
В эксперименте ученые создали газовое облако атомов лития-6, которое было подвержено специальной ловушке и вытянуто в двумерную линию. При спокойном состоянии атомы лития-6 представляют собой фермионы, но объединение их в молекулы из двух атомов приводит к превращению их в бозоны. Затем они могут сближаться и объединяться, образуя так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.

Путем периодического переключения между этими состояниями с помощью магнитных полей линия атомов лития-6 начинает расширяться и сжиматься, как поршень внутреннего сгорания или паровой двигатель. Как результат, до 25% энергии, поданной на двигатель, превращается в механическое движение атомов. Это обладает достаточно высоким уровнем КПД по сравнению с тепловыми двигателями.

Физики утверждают, что дальнейшее сжатие облака атомов может увеличить эффективность квантового двигателя до 50% и выше, что позволит использовать его для создания миниатюрных устройств, передачи энергии и микроскопических охладительных систем, полностью работающих на основе принципов квантовой механики и не требующих внешних источников тепла и энергии.