物理學家正在原子尺度挑戰已有 200 年曆史的熱力學定律

傳統的熱機，例如內燃機和蒸汽輪機，其工作原理是將熱能轉化為機械運動，或者簡單地將熱量轉化為運動。在過去的幾年裡，量子力學的進步使研究人員能夠將熱機縮小到微觀尺寸。

斯圖加特大學第一理論物理研究所的埃里克·盧茨教授表示：“不大於單個原子的小型電機在未來可能成為現實。” “現在也很清楚，這些發動機比大型熱機能夠實現更高的最大效率。”

盧茨教授和同一研究所的博士後研究員米爾頓·阿吉拉爾博士在他們的論文中描述了這一令人驚訝的結果背後的物理學。 科學的進步 紙。在一次包含三個問題的採訪中，他們概述了他們的發現及其重要性。

重新思考 200 年來的效率前沿

大約兩個世紀前，法國物理學家薩迪·卡諾確定了任何熱機所能達到的理論最大效率。卡諾原理後來成為熱力學第二定律的一部分，是為蒸汽輪機等大型系統制定的。

斯圖加特的研究人員現在已經表明，當應用於原子級別的系統時，這一原理應該得到擴展。對於強耦合分子馬達來說尤其如此，其中分子以經典熱力學未考慮的方式緊密連接。

量子關聯的隱藏作用

卡諾的原始工作表明，效率取決於溫差，冷熱之間的差距越大，潛在效率越高。經典公式不包括數量相關性的影響。這些是當系統變得非常小時，粒子之間形成的微小鍵。

研究人員首次推導出完全包含這些聯繫的廣義熱力學定律。他們的結果表明，原子級熱機不僅可以將熱量轉化為功，還可以將量子相關性本身轉化為功。由於這種額外的貢獻，這些機器可以產生比經典理論允許的更多的功，這意味著量子引擎的效率可能超過經典卡諾極限。

這對未來技術意味著什麼

除了改善基礎物理之外，這項研究還為未來的應用開闢了新的可能性。更深入地了解物理定律如何在原子層面發揮作用可以加速下一代技術的發展，包括能夠在納米尺度上執行精確任務的非常小型、高效的量子引擎。

有一天，這樣的發動機可以為醫療納米機器人或逐個原子操縱材料的指揮機器提供動力。潛在用途範圍廣泛，凸顯了重新思考基本科學原理如何能夠帶來全新的技術前沿。