Группа ученых из Японии и Германии разработала метод, позволяющий использовать охлажденные до абсолютного нуля фермионы и бозоны в качестве основы для уникальных «квантовых двигателей». Они способны превращать энергию частиц в механическую работу.
К бозонам относятся переносчики фундаментальных взаимодействий (свет, атомы с четным числом протонов и другие). К фермионам относятся электроны, протоны, атомы с нечетным число протонов и другие элементарные частицы. Если объединить бозон и фермион, то при распаде полученной молекулы из бозона будет получаться два фермиона. Повторение процесса позволяет питать двигатель энергией без использования тепловой энергии.
При охлаждении до абсолютного нуля, бозоны имеют более низкую энергию, чем фермионы из-за закона Паули, который препятствует фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии. Эта наблюдение подтолкнуло ученых к экперименту с перекачкой энергии и создания квантовой версии теплового двигателя.
Ученые разработали прототип установки. Она представляет собой газообразное облако атомов лития-6, помещенное в специальную ловушку, превращающую эти частицы в двумерную линию. В состоянии покоя атомы лития-6 представляют собой индивидуальные фермионы, но когда они объединяются в молекулы из двух атомов, они становятся бозонами, что позволяет им приближаться и объединяться в квантовую субстанцию, названную физиками конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Смена состояний под воздействием магнитного поля приводит к сжатию и расширению линии атомов лития-6, аналогичному движению поршня внутри ДВС. В результате этого до 25% энергии, подведенной к двигателю, превращается в механические движения атомов, что представляет собой весьма высокий уровень КПД по сравнению с тепловыми двигателями.
Исследователи также прогнозируют, что дальнейшее повышение степени сжатия облака атомов может увеличить КПД квантового двигателя до 50%. Это открывает перспективы использования подобных установок для создания миниатюрных механических устройств, передачи энергии и наноскопических холодильных систем, работающих полностью на основе законов микромира.
Фото: JJ Ying / Unsplash.com
