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量子熱機(jī)再突破！我國實(shí)現(xiàn)國際首個(gè)開放量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)
2022年11月23日 14:30:26
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：4845
中科院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院利用超冷離子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國際上第一個(gè)非厄米量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】熱機(jī)在人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)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(jī)械，能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的機(jī)器動(dòng)力機(jī)械。熱機(jī)通常以氣體作為工質(zhì)，利用氣體受熱膨脹對(duì)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?zé)岬?。如何提高熱機(jī)效率一直是熱力學(xué)的核心科學(xué)問題。
近年來，隨著量子信息學(xué)、量子熱力學(xué)以及量子光學(xué)等學(xué)科理論的快速發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)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(xué)中熱機(jī)的概念也被拓展到了量子力學(xué)領(lǐng)域。量子熱機(jī)是人們探索量子系統(tǒng)熱力學(xué)特性的重要手段，熱力學(xué)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(jī)，并且利用量子特性提高熱機(jī)效率。
這種只有微納尺度的量子熱機(jī)，不僅有望在效率上超越傳統(tǒng)熱機(jī)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。不過，量子熱機(jī)作為一個(gè)開放體系，熱機(jī)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(duì)非厄米量子系統(tǒng)的調(diào)控。
中科院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院利用超冷離子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國際上第一個(gè)非厄米量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果想提高量子熱機(jī)效率，應(yīng)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(yán)格相，后者處于破缺相。
該熱機(jī)的工作物質(zhì)是一個(gè)開放的量子體系，實(shí)驗(yàn)觀察得出“等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴(yán)格相和破缺相的量子奧拓?zé)釞C(jī)具有最高的熱機(jī)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(yīng)用于能源、生物、醫(yī)藥和工程等領(lǐng)域，并用于開發(fā)分子馬達(dá)、納米機(jī)器人和微型智能裝置等。
量子熱機(jī)除可以被用于物理學(xué)、信息學(xué)以及生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科方面的理論研究，它還有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景，包括醫(yī)療、生物制藥以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等。在量子熱力學(xué)逐漸發(fā)展完善的今天，量子熱機(jī)將必然是探索和解決量子熱力學(xué)問題以及相關(guān)學(xué)科問題的十分重要的手段。
(資料參考來源：中國科學(xué)報(bào))
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