日本理化学研究所RIKEN的工程师们,研制出了一种多任务纳米机器,它可以同时充当热机和制冷机[2]。

该装置是测试量子效应的首批装置之一,而量子效应在最小尺度上控制着粒子的行为,此研究产物也许可以利用量子效应来赋能纳米技术。

传统的热机和制冷机是通过连接两个流体池来工作的,即压缩一个池使其流体升温,快速扩张另一个池使其流体降温。

图1|热机和制冷机的循环(来源:APS Physics)

如果定期执行这些操作,那么这些蓄水池将会交换能量,且该系统可用作热机或是制冷机。

RIKEN高级设备实验室的Keiji Ono表示,要建立一个同时执行两项任务的宏观机器是不可能的,即便能够建造出来,工程师们也不愿意这样做。

他认为,将传统的热机和制冷机相结合,会制造出一台完全没有用的机器来。

但是在微观层面上,一切都成为了可能。物理学家们一直在开发更小的设备,这些设备有时仅仅基于单个原子。

图2|由一个原子构成的发动机(来源:Johannes Roßnagel)

而提到微观层面,就不得不提量子理论。它允许一个电子同时存在于两个位置,或是拥有两种不同的能量。物理学家们正在开发新的理论框架和实验,试图弄清楚这些系统将如何运作。

以量子形式存续的热机,使用晶体管中的电子,这些电子具有两种可能的能量状态。研究小组可以通过施加电场和微波来增加或减少这些能量状态之间的间隙。

领导该实验的Keiji Ono表示,这类似于腔室内流体的周期性膨胀-压缩操作。当电子从高能级跃迁到低能级时,该装置还会发出微波。

通过监测是否占据了较高的能量水平,该团队证明了这种纳米装置既可以充当热机,也可以作为制冷机。

图3|日本理化学研究所RIKEN(来源:Wikimedia)

但随后,研究人员展示了更让人匪夷所思的事情,这种纳米装置可以在同一时间,充当热机和制冷机,这纯粹是一种量子效应。

研究人员通过观察较高能级的占用情况来证实这一点,两者结合会形成特征性的干扰模式。而研究人员表示,实验干扰模式与理论预测模式几乎完美匹配。

Keiji Ono解释说,这种情况允许两种操作模式之间的快速切换。而快速切换的能力,在将来可以帮助使用此类系统创建出的新颖的应用程序。

 

参考链接:

[1]https://phys.org/news/2020-12-quantum-nanodevice-simultaneously-refrigerator.html

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.166802

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳

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