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量子熱機再突破！我國實現(xiàn)國際首個開放量子熱機實驗
2022年11月23日 14:30:26
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：4801
中科院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院利用超冷離子實驗平臺，設計并實現(xiàn)了國際上第一個非厄米量子熱機實驗。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】熱機在人類社會發(fā)展進程和生活中發(fā)揮著重要作用。這是一種利用內(nèi)能做功的機械，能夠?qū)⑷剂系幕瘜W能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能再轉(zhuǎn)化成機械能的機器動力機械。熱機通常以氣體作為工質(zhì)，利用氣體受熱膨脹對外做功。其熱能的來源主要有燃料燃燒產(chǎn)生的熱能、原子能、太陽能和地熱等。如何提高熱機效率一直是熱力學的核心科學問題。
近年來，隨著量子信息學、量子熱力學以及量子光學等學科理論的快速發(fā)展，人們認識物理現(xiàn)象已經(jīng)更多地從宏觀層面轉(zhuǎn)向了微觀層面，經(jīng)典熱力學中熱機的概念也被拓展到了量子力學領域。量子熱機是人們探索量子系統(tǒng)熱力學特性的重要手段，熱力學與量子技術(shù)的交叉有望在微觀尺度構(gòu)建出最小的量子熱機，并且利用量子特性提高熱機效率。
這種只有微納尺度的量子熱機，不僅有望在效率上超越傳統(tǒng)熱機，還是探索量子體系演化過程中能量-信息轉(zhuǎn)換和功-熱轉(zhuǎn)換的理想實驗平臺。不過，量子熱機作為一個開放體系，熱機的吸熱和做功都是在工作物質(zhì)與外部環(huán)境的相互作用過程中完成，因此需要考慮針對非厄米量子系統(tǒng)的調(diào)控。
中科院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院利用超冷離子實驗平臺，設計并實現(xiàn)了國際上第一個非厄米量子熱機實驗。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果想提高量子熱機效率，應該保持等容加熱沖程中的布居振蕩，抑制等容冷卻沖程中的布居振蕩，即前者處于嚴格相，后者處于破缺相。
該熱機的工作物質(zhì)是一個開放的量子體系，實驗觀察得出“等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴格相和破缺相的量子奧拓熱機具有最高的熱機效率”的新結(jié)論。此外，該研究的結(jié)論和所展現(xiàn)的技術(shù)具有一定的普適性，有望應用于能源、生物、醫(yī)藥和工程等領域，并用于開發(fā)分子馬達、納米機器人和微型智能裝置等。
量子熱機除可以被用于物理學、信息學以及生物學等相關(guān)學科方面的理論研究，它還有著相當廣闊的應用前景，包括醫(yī)療、生物制藥以及科學實驗等。在量子熱力學逐漸發(fā)展完善的今天，量子熱機將必然是探索和解決量子熱力學問題以及相關(guān)學科問題的十分重要的手段。
(資料參考來源：中國科學報)
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