Квантовый двигатель: Недопустимое название | Virtual Laboratory Wiki

Эффективность фотонного квантового двигателя приблизилась к ста процентам

Корейские физики изготовили первый в мире квантовый двигатель, использующий квантовую когерентность резервуара. Для этого они использовали в качестве рабочего тела фотонный газ в резонаторе, через который пролетают сверхизлучающие атомы. Таким способом им удалось достичь 98-процентной эффективности двигателя. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Квантовые тепловые двигатели, впервые описанные Сковилом и Шульцем-Дюбуа в 1959 году, могут превзойти свои классические аналоги за счет использования квантово-механических принципов. Для этого рабочее тело должно обладать дискретной энергетической структурой, а потому на его роль пока годятся только атомы, молекулы или наночастицы. Подробнее о принципе их работы читайте в материале «Двигатель квантового сгорания».

Главной особенностью квантовых тепловых двигателей считается их способность обладать эффективностью, превышающей эффективность цикла Карно — предел, ограничивающий классические тепловые машины. Достичь такого превосходства удалось сравнительно недавно на уровнях NV-центров в алмазе, часть из которых играла роль рабочего тела, а часть — резервуаров. Физики повторили этот успех и с квантовыми двигателями иной природы, например, нанопластиной арсенида галлия.

Важно, что принципы квантового двигателя универсальны: они оперируют абстрактными квантовыми системами, что дает ученым гибкость в их реализации. Среди прочего интерес представляет использование фотонов в резонаторе в качестве рабочего тела, поскольку в этом случае также реализуется дискретность состояний. Более того, было показано, что фотонные двигатели могут быть существенно усилены благодаря явлению сверхизлучения — то есть коллективному испусканию атомами света. Его интенсивность пропорциональна квадрату числа атомов, а значит, это позволит быстро масштабировать выходную мощность двигателя. Несмотря на такие перспективы, фотонные квантовые двигатели с применением сверхизлучения еще никто не реализовывал.

Впервые это удалось сделать группе корейских физиков под руководством Ан Гён Вон (Kyungwon An) из Сеульского национального университета. Они показали, что использование сверхизлучения способно существенно увеличить эффективность квантового двигателя за счет большой разницы между температурой рабочего тела и резервуаров, а также допускает его нелинейное масштабирование. В своем эксперименте исследователи добились коэффициента полезного действия, равного 98 процентам.

В качестве рабочего тела физики использовали состояние фотонов в резонаторе, через которые пролетали атомы бария, а в качестве резервуара — сами атомы, связанные с полем резонатора. Впрыск атомов перпендикулярно оси резонатора они производили через пластину с периодически расположенными отверстиями. Период был выбран равным длине волны резонансной моды, чтобы взаимодействие всех атомов со светом было сфазировано. Авторы имели возможность отстраивать частоту лазера и частоту резонанса от частоты перехода в атоме, соответствующей длине волны 791 нанометр. В тот момент, когда первые две оказывались равны, атомы сверхизлучали.

Цикл, в котором работал фотонный двигатель, напоминал классический цикл Стирлинга. В роли объема выступала отстройка резонатора от атомной частоты, измеряемая в мегагерцах. Давление же, создаваемое фотонным газом на стенки резонатора, ученые характеризовали средним числом фотонов, которое также поддавалось измерению в эксперименте. В этих двух координатах цикл представлял собой замкнутый прямоугольник.

На первом этапе цикла A→B физики согласовывали частоты лазера и резонатора, немного отличающиеся от атомной частоты. В течение одной микросекунды число фотонов изохорно росло, увеличивая давление на стенки. На этапе расширения B→C авторы синхронно отстраивали обе частоты еще дальше от атомной, что соответствовало увеличению объема фотонного газа. Затем они резко меняли частоту лазера (процесс C→D), чтобы выключить сверхизлучение и привести газ в равновесие с резервуаром, уменьшив число фотонов в резонаторе. Наконец, стадия сжатия D→A возвращала цикл к исходной точке.

Важной особенностью такого двигателя стало соотношение температур резервуара и рабочего тела. Стоит отметить, что понятие температуры в такой системе несколько отличается от температуры атомных и молекулярных газов, в случае которых она становится мерой их средней кинетической энергии. Здесь температура выступает в роли меры статистических свойств системы, поэтому ее называют эффективной. Значения эффективных температур существенно выше (тысячи кельвин), чем привычные температуры, поскольку они характеризуют более высокоэнергичные процессы, чем броуновское движение.

В отсутствии сверхизлучения фотонный газ находится в термодинамическом равновесии с атомами: в такой ситуации эффективная температура довольно точно характеризует распределение системы по степенями свободы. В сверхизлучательном же режиме равновесия нет. Тем не менее физики все равно вводят эффективную температуру для такого состояния, равную температуре эквивалентного равновесного состояния с таким же энергообменом.

Примечательно, что эффективная температура резервуара постоянна весь цикл, в то время как температура газа то растет, то возвращается к резервуарному значению. Это делает изменение энтропии за замкнутый цикл нулевым. Авторы определяли температуру резервуара через связь атомов с резонатором, а температуру фотонного газа — через отношение числа фотонов в текущем (например, сверхизлучающем) состоянии к равновесному числу фотонов.

Строя зависимость температуры газа от среднего числа атомов в резонаторе, они увидели ее нелинейный рост, как того предписывает явление сверхизлучения. Для двух атомов в резонаторе отношение температуры газа к температуре резервуара достигло 40, из-за чего эффективность двигателя оказалась равной 98 ± 4 процента. И хотя фактически число атомов в резонаторе штучно, на интенсивность сверхизлучения влияет то, как часто они успевают провзаимодействовать с полем. В представленном опыте это происходило в среднем 20 раз на время пролета атома.

Работа построенного двигателя за один цикл довольно мала — порядка 10−28 джоулей, — поэтому пока речь не идет о практическом применении таких устройств. Вместе с тем, это первая реализация теплового двигателя, использующего квантовую когерентность резервуара, что позволило приблизиться к стопроцентной эффективности. Результат работы авторов также представляет собой универсальную платформу для будущих исследований квантовой термодинамики.

Ранее мы рассказывали, как физики пытались увеличить эффективность квантового двигателя с помощью магнитного резонанса ядер углерода.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Неракетный нереактивный квантовый двигатель: идея, технология, результаты, перспективы

Смотреть страницы статьи в формате PDF.

 

В фундаментальном плане реактивный способ движения опирается на законы Ньютона и до недавнего времени оставался единственным известным способом передвижения в космосе с помощью ракет. «Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель… Будет иной способ передвижения в космосе – приму и его…» – писал основоположник отечественной космонавтики К. Э. Циолковский .

В основу работы нереактивного квантового двигателя (КвД) положена квантованная структура космического вакуума из квантонов (рис. 1), от которой можно отталкиваться с помощью КвД, создавая новые нереактивные силы тяги в соответствии с фундаментальной теорией суперобъединения .

Рис. 1. Квантованная структура космического вакуума

Рис. 2. Деформация (искривление по Эйнштейну) сетки поля СЭВ массой Земли

Квантон как квант пространства-времени является носителем сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ), которое можно представить в виде силовой упругой энергетической сетки, пронизывающей всю Вселенную. Квантовая гравитация рассматривает силы тяготения как результат деформации (искривления по Эйнштейну) силовой сетки поля СЭВ (рис. 2), создавая градиент энергии в виде силы FT тяготения:

   (1)

Формула (1) положена в основу работы нереактивного квантового двигателя. На рис. 3 представлен в разрезе квантовый двигатель с конусным рабочим органом из ферродиэлектрика, на который накладывается система скрещивающихся неоднородных электрических Е и магнитных Н полей, создающих градиент энергии в направлении оси вращения конуса (1) (патент РФ № №2185526) .  

Рис. 3. Квантовый двигатель с конусным рабочим телом 1, 2 – магнитная система, 3 – электрическая система

Рис. 4. Создание градиента энергии W и силы FT тяги внутри конусного микроволнового резонатора

 На рис. 4 представлена схема квантового двигателя EmDrive английского инженера Роджера Шойера, в котором градиент энергии сила тяги FT создаются внутри микроволнового конусного резонатора. На рис. 5 представлен общий вид двигателя EmDrive. Сам инженер Шойер и его последователи не смогли объяснить природу создания силы тяги в конусе EmDrive .

Рис. 5. Общий вид микроволнового двигателя EmDrive

Аналогичный принцип положен в основу работы квантового варп-двигателя, который разрабатывается в НАСА . В Китае квантовый двигатель был испытан на орбите . Российская академия наук на своем сайте сделала заявление, что квантовый двигатель не противоречит законам физики .

В настоящее время нами рассмотрено несколько разных способов создания нереактивной тяги с различными рабочими органами квантового двигателя, помимо конусных .

Эффективность работы нереактивного квантового двигателя характеризуется удельной силой тяги Fy, которая измеряется отношением силы Fт тяги двигателя в ньютонах (Н) на стенде к потребляемой электрической мощности W (Вт) двигателя в киловаттах (кВт):

(2)

К испытанию были представлены два изделия:

1.      Шасси на колесах с импульсным квантовым двигателем внутри типа КвД-1-2009 образца 2009 года с горизонтальной силой тяги с вращающимися рабочими органами. На общем фото (рис. 6) этот аппарат представлен в центре на переднем плане;

2.      Антигравитатор с КвД внутри с вертикальной тягой. На фото (рис. 6) стенд с антигравитатором находится справа на переднем плане.

Рис. 6. Участники испытаний 03.03.2018 квантового двигателя КвД-1-2009 с горизонтальной и вертикальной тягой. В центре председатель комиссии О. Д. Бакланов, справа М. В. Саутин, слева В. С. Леонов, А. А. Кубасов и другие члены комиссии

Рис. 7. Схема измерения силы FT тяги КвД-1-2009

1 – шасси с КвД-1-2009, 2 – динамометр, 3 – растяжки, 4 – упор

Измерения силы тяги F (рис. 7) в импульсе производили механическим динамометром ДПУ-0,5-2 со шкалой на 500 кг силы по броску стрелки, которая фиксировалась с помощью цифровой кинокамеры. Динамометр приходилось придерживать руками во избежание боковых вибраций (рис. 8).

Было сделано более 20 повторностей измерений импульса силы в опытах с фиксацией силы диапазоне от 110 до 500 кгс. Для большей достоверности выборка измерений делалась по пяти минимальным результатам. В среднем минимальная величина импульса силы составила 139 Н.

Рис. 8. Фото фиксации величины импульса силы FT тяги в 450 кгс, создаваемого КвД-1-2009

Питание КвД-1-2009 осуществляется от трехфазной сети переменного тока 220/380 В, 50 Гц. Максимальные значение потребляемой мощности в импульсе – 12 кВт.

Таким образом, усредненное минимальное значение силы тяги квантового двигателя 139 Н при максимальной потребляемой мощности 12 кВт представлены в таблице 1:

Таблица 1

Технические характеристики квантового двигателя КвД-1-2009

Параметр

Величина

1. Сила тяги в импульсе, Н

139 Н

2. Потребляемая мощность в импульсе, кВт

 

12 кВт

3. Удельная сила тяги, Н/кВт

115 Н/кВт

4. Масса аппарата, кг

125 кг

5. Габариты:

Длина

Ширина

Высота

 

1600 мм

1400 мм

1050 мм

Итак, удельная сила тяги квантового двигателя КвД-1-2009 в наихудшем варианте составила 115 Н/кВт. Антигравитатор с КвД внутри с вертикальной тягой показал еще лучшие результаты. Для сравнения: лучшие образцы ЖРД имеют удельную силу тяги, не превышающую 0,7 Н/кВт (таблица 2). На основании формулы (1) было получено выражение, связывающее удельную силу тяги Fy и удельный импульс Iy у ЖРД:

(3)

Таблица 2

Удельная сила тяги Fy для ряда отечественных ЖРД

Тип двигателя

ЖРД

Удельная

сила тяги, Fy, Н/кВт

Удельная тяга,

Im, с

Удельный импульс,

Iy, м/с

Тяга, FT

т

РД180

вакуум

у Земли

 

0,604

0,655

 

337,8

311,3

 

3314

3054

 

423,4

390,2

8Д411К

0,625

326,5

3200

60

11Д55

0,610

334,4

3280

30,4

14Д24

0,685

298

2920

27

РД0146

0,441

463

4537

10

11Д58М

0,580

352

3450

8,5

11Д58МФ

0,549

372

3646

5,0

8Д611

0,697

293

2871

3,15

 

Как видно из таблицы 2, удельная сила тяги лучших отечественных ЖРД с разной тягой в диапазоне от 3,15 до 423,4 тонн не превышает 0,7 Н/кВт. Это в 165 раз хуже, чем у опытного образца квантового двигателя КвД-1-2009, удельная сила тяги которого составила более 115 Н/кВт. Для сравнения: НАСА на двигателе EmDrive получила удельную силу тяги 1,2 мН/кВт , в 1000 раз меньше, чем у КвД. В перспективе в режиме рекуперации энергии удельная сила тяги КвД составит более 1000 Н/кВт: это в 1428 раз выше, чем у ЖРД, который не имеет такой перспективы развития. Из таблицы 2 также видно, что чем выше у ЖРД удельный импульс, тем меньше удельная сила тяги.

Итак, по удельной силе тяги КвД превосходит ЖРД более чем в 100 раз. Полученный результат означает, что для создания одинаковой силы тяги квантовому двигателю КвД необходимо затратить как минимум в 100 раз меньше энергии (или топлива), чем ЖРД. Будущее принадлежит квантовым двигателям и новым космическим технологиям.

Основные выводы и рекомендации:

1. Дано краткое описание идеи и технологии неракетного нереактивного квантового двигателя В.  С. Леонова, разработанного в России в ГК «Квантон».

2. Общественная комиссия специалистов в 2018 г. провела контрольные испытания  опытного образца нереактивного квантового двигателя типа КвД-1-2009, измерив импульс силы тяги, потребляемую мощность и высокую удельную силу тяги КвД, которая составила 115 Н/кВт (11,7 кгс/кВт). Протокол испытаний опубликован на официальном сайте ГК «Квантон» .

3. В сравнении с реактивным ЖРД, удельная сила тяги которого не превышает 0,7 Н/кВт (0,07 кгс/кВт) у лучших отечественных образцов, полученная удельная сила тяги у КвД 115 Н/кВт (11,7 кгс/кВт) показывает, что энергетически КвД как минимум в 100 раз экономичнее ЖРД.

4. Такой резкий скачок в увеличении удельной силы тяги в 100 раз и выше у КвД по сравнению с ЖРД объясняется отказом от использования химического топлива и процессов его горения для создания реактивной тяги. При горении топлива основное количество тепловой энергии бесполезно выбрасывается наружу через сопло ЖРД. КвД же не «отапливает» атмосферу и космос.

5. Двигатель КвД-1-2009 создает импульс силы тяги без выброса реактивной массы, не используя химическое топливо. Питание квантового двигателя производится электрической энергией, исключая электрореактивный эффект. Вектор тяги квантового двигателя может изменяться в пространстве в любом направлении.

6. Создание квантового двигателя стало возможным в результате разработки В. С. Леоновым фундаментальной теории суперобъединения, которая выводит российскую науку в мировые лидеры. Принцип работы квантового двигателя основан на квантовой теории гравитации (КТГ) в рамках теории суперобъединения. Согласно КТГ, в квантовом двигателе реализуется эффект создания сил искусственного тяготения (антигравитационный эффект) в результате деформации (искривления по Эйнштейну) квантованного пространства-времени внутри рабочих органов квантового двигателя.

7. Высокая величина удельной силы тяги у квантового двигателя подтверждает перспективы его применения для космоса.

8. В направлении создания квантовых двигателей работают НАСА (США), Великобритания, Китай и другие страны. Китай испытал в космосе на своей орбитальной станции небольшой микроволновый квантовый двигатель типа EmDrive с тягой 72 Н и собирается увеличить его тягу в 100 раз. В России при испытании КвД-1-2009 сила тяги составила от 110 до 500 кг (от 1100 до 5000 Н).

9. В настоящее время Россия является лидером в разработке теории и конструкций квантовых двигателей. Необходимо организовать новые исследования, испытания (в том числе в независимых сертифицированных лабораториях) и производство образцов квантовых двигателей в нашей стране.

Интересные факты:

1. Квантовый двигатель можно условно отнести к нереактивным: сила тяги в нем возникает в результате реакции отталкивания рабочих органов квантового двигателя от квантованного пространства-времени.

2. При создании одинаковой силы тяги квантовый двигатель затратит как минимум в 100 раз меньше энергии, чем жидкостный реактивный двигатель.

Литература:

1. Идеи Циолковского и проблемы космонавтики. Избранные труды I–V чтений К. Э. Циолковского. М.: Машиностроение, 1974. 5 с.

2. Leonov V. S. Quantum Energetics. Volume 1. Theory of Superunification. Cambridge International Science Publishing, 2010, 745 p.

3. Патент РФ №2185526. Способ создания тяги в вакууме и полевой двигатель для космического корабля (варианты) / Леонов В.С.; опубл. 20.07.2002, Бюл. № 20.

4. Roger Shawyer. Second generation EmDrive propulsion applied to SSTO launcher and interstellar probe // Acta Astronautica. 2015. Vol. 116. Pp. 166–174.

5. Harold White, Paul March, James Lawrence, Jerry Vera, Andre Sylvester. Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum // Journal of Propulsion and Power. 2017. Vol. 33. No. 4. Pp. 830–841.

6. China claims to have a working version of NASA’s impossible engine orbiting the Earth — and will use it in satellites ‘imminently’ [Электронный ресурс] // Daily Mail Online. URL: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4052580/China-claims-built-working-version-NASA-s-impossible-engine-says-s-orbiting-Eart (Дата обращения: 16.01.2019).

7.  РАН: «Невозможный двигатель» из КНР не противоречит законам физики. И действительно может работать без топлива [Электронный ресурс] // Сайт РАН. URL: http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=b4f09fbd-802f-4e33-92c3-2ef287f5f974&print=1 (Дата обращения: 16.01.2019).

8.  Леонов В.С. Нереактивные квантовые двигатели для освоения космоса // К. Э. Циолковский. Проблемы и будущее российской науки и техники. Материалы LII научных чтений памяти К. Э. Циолковского. Калуга: Политоп, 2017. С. 31-33.

9.  Кричевский С.В. Экологические аэрокосмические технологии и проекты: методология, история, перспективы // Воздушно-космическая сфера. 2018. № 3. С. 78-85.

10.  Результаты измерения удельной силы тяги антигравитационного квантового двигателя без выброса реактивной массы. Анализ, сравнения и перспективы применения квантовых двигателей [Электронный ресурс] // Сайт НПО «Квантон». URL: http://www.quanton.ru/news/16.html.

References

1. Idei Tsiolkovskogo i problemy kosmonavtiki. Izbranniye trudy I–V chteniy K.E. Tsiolkovskogo. Mo.: Mashinostroyeniye, 1974. 5 p.

2. Leonov V.S. Quantum Energetics. Volume 1 Theory of Superunification. Cambridge International Science Publishing, 2010. 745 p.

3. Leonov V.S. Sposob sozdaniya tyagi v vakuume i polevoy dvigatel’ dlya kosmicheskogo korablya (varianty). Patent RF №2185526 (2002).

4. Roger Shawyer. Second generation EmDrive propulsion applied to SSTO launcher and interstellar probe // Acta Astronautica, 2015, vol. 116, pp. 166–174.

5. Harold White, Paul March, James Lawrence, Jerry Vera, Andre Sylvester. Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum // Journal of Propulsion and Power. 2017, vol. 33, no. 4, pp. 830–841.

6. China claims to have a working version of NASA’s impossible engine orbiting the Earth — and will use it in satellites ‘imminently’ // Daily Mail Online. URL: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4052580/China-claims-built-working-version-NASA-s-impossible-engine-says-s-orbiting-Eart (Retrieval date: 16.01.2019).

7. RAN: «Nevozmozhny dvigatel» iz KNR ne protivorechit zakonam fiziki. I deystvitelno mozhet rabotat bez topliva. RAS. URL: http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=b4f09fbd-802f-4e33-92c3-2ef287f5f974&print=1 (Retrieval date: 16.01.2019).

8. Leonov V.S. Nereaktivniye kvantoviye dvigateli dlya osvoeniya kosmosa. K.E. Tsiolkovsky. Problemy i buduschee rossiyskoy nauki i tekhniky. Materialy LII nauchnykh chteniy pamyati K.E. Tsiolkovskogo. Kaluga: Politop, 2017, pp. 31-33.

9. Krichevsky S.V. Ekologicheskiye aerokosmicheskiye tekhnologhii i proekty: metodologhiya, istoriya, perspektivy. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2018, no. 3, pp. 78-85.

10. Rezultaty izmereniya udelnoy sily tyaghi antigravitatsionnogo kvantovogo dvigatelya bez vybrosa reaktivnoy massy. Analiz, sravneniya i perspektivy primeneniya kvantovykh dvigateley. Available at: NPO “Kvanton” website. URL: http://www.quanton.ru/news/16.html (Retrieval date: 16.01.2019).

© Леонов В.С., Бакланов О.Д., Саутин М.В., Костин Г.В., Кубасов А.А., Алтунин С.Е., Кулаковский О.М., 2018

Смотреть страницы статьи в формате PDF.

 

История статьи:

Поступила в редакцию: 23.12.2018

Принята к публикации: 16.01.2019

Модератор: Дмитрюк С.В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Леонов В.С., Бакланов О.Д., Саутин М.В., Костин Г.В., Кубасов А.А., Алтунин С.Е., Кулаковский О.М. Неракетный нереактивный квантовый двигатель: технология, результаты, перспективы. // Воздушно-космическая сфера. 2019. №1. С. 68-75.

Новый квантовый двигатель обладает большей мощностью, чем его стандартные аналоги.

Впервые квантовый двигатель превзошел по производительности свой традиционный аналог без каких-либо особых настроек среды.

Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель при тех же условиях, сообщают ученые в Physical Review Letters 22 марта .

«Они очень убедительно показали, что квантовая машина работает лучше, чем классическая», — говорит физик Марк Митчисон из Тринити-колледжа в Дублине. «Это очень важный шаг вперед».

Подпишитесь на последние из

новостей науки

Заголовки и резюме последних статей новостей науки , доставленных на ваш почтовый ящик

Устройство представляет собой тип двигателя, называемый тепловым двигателем. Традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля сжигает топливо для перемещения поршней вверх и вниз, в результате чего автомобиль движется вперед. Другие тепловые двигатели могут похвастаться увеличением мощности. Но эти машины полагались на настройки окружающей среды за пределами основной машины — например, источник тепла машины мог быть наделен полезными свойствами — поэтому дополнительная мощность не была полностью особенностью самой машины.

В новом исследовании квантовый двигатель работает не за счет воспламенения бензина, а за счет использования лазера, заставляющего электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза прыгать между энергетическими уровнями. И вместо движущихся поршней квантовая машина выдает свою мощность в виде электромагнитных волн.

Вот здесь и появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, что означает, что они захвачены в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Это как если бы поршень автомобильного двигателя находился одновременно в верхнем и нижнем положениях.

При определенных условиях это свойство, как сообщают ученые, приводит к увеличению выходной мощности по сравнению с максимально возможной мощностью традиционной тепловой машины. «Это первый эксперимент, в котором был достигнут такой режим», — говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

Но у исследователей «нет полной характеристики квантового двигателя», — говорит Серра. Команда оценивала выходную мощность двигателя, но не другие его качества, например эффективность. По его словам, будущие эксперименты должны дополнительно изучить этот тип машин.

Квантовый прирост мощности проявляется только тогда, когда двигатель работает очень плавно, как в автомобильном двигателе, в котором поршни двигаются лишь слегка во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не уничтожает всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом щадящем режиме, а большинство из них таковыми не являются.

Так что не ждите, что в ближайшее время эти квантовые двигатели будут питать транспортные средства или устройства. «Если вы пытаетесь построить автомобиль или реактивный двигатель… это абсолютно бесполезно», — говорит физик Ян Уолмсли из Имперского колледжа Лондона, соавтор исследования.

Вместо этого исследование раскрывает новые детали того, как квантовая механика соединяется с термодинамикой, теорией, которая управляет теплом, температурой и энергией ( СН: 19.03.16, стр. 18 ). В этом случае новый двигатель обнаруживает лазейку в нормальных пределах выработки электроэнергии. «Мы не изменили структуру термодинамики, но открыли новую ее часть», — говорит Уолмсли.

Фотонный квантовый двигатель, управляемый сверхизлучением

  • Артикул
  • Опубликовано:
  • Джинук Ким 1 ,
  • Сын Хун О 1 ,
  • Дэхо Ян
    ORCID: orcid. org/0000-0002-4575-037X 2 ,
  • Джунки Ким 3 ,
  • Мунджу Ли 4 и
  • …

    • 0
    ORCID: orcid.org/0000-0003-4142-6297 1  

Природа Фотоника
том 16 , страницы 707–711 (2022)Цитировать эту статью

  • 3685 доступов

  • 1 Цитаты

  • 12 Альтметрический

  • Сведения о показателях

Предметы

  • Атомная и молекулярная физика
  • Квантовая оптика

Abstract

Характеристики нано- и микромасштабных тепловых двигателей могут быть улучшены с помощью квантово-механических явлений. Недавно были предложены тепловые резервуары с квантовой когерентностью для повышения производительности двигателя сверх предела Карно даже с одним резервуаром. Однако до сих пор не было достигнуто никаких физических реализаций. Здесь мы сообщаем о первой экспериментальной демонстрации фотонного квантового двигателя, работающего за счет сверхизлучения, использующего единый тепловой резервуар, состоящий из атомов и фотонного вакуума. Атомы-резервуары, приготовленные в состоянии квантовой когерентной суперпозиции, подвергались сверхизлучению при прохождении через полость. Это привело к увеличению эффективной температуры двигателя примерно в 40 раз, в результате чего КПД двигателя был близок к единице. Более того, наблюдаемая выходная мощность двигателя росла квадратично по отношению к скорости впрыска атомов. Наша работа может быть использована для квантово-механического переноса тепла, а также для увеличения мощности двигателя, открывая путь к разработке фотомеханических устройств, работающих на основе квантовой когерентности, встроенной в тепловые ванны.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

99,00 €

всего 8,25 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

$32,00

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Цикл двигателя и диаграмма давление-объем сверхизлучающего квантового двигателя. Рис. 2: Корреляция второго порядка и увеличение мощности двигателя за счет сверхизлучения. Рис. 3: Эффективная температура двигателя и наблюдаемый КПД двигателя.

Доступность данных

Исходные данные приводятся в настоящем документе.

Доступность кода

Код, подтверждающий результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Ссылки

  1. Scovil, H. E. & Schulz-DuBois, E. O. Трехуровневые мазеры как тепловые двигатели. Физ. Преподобный Летт. 2 , 262 (1959).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  2. Аллахвердян А. Э., Джохал Р. С. и Малер Г. Экстремальный принцип работы: структура и функция квантовых тепловых двигателей. Физ. Ред. E 77 , 041118 (2008 г.).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  3. Цзоу Ю., Цзян Ю., Мэй Ю., Го Х. и Ду С. Квантовый тепловой двигатель с использованием электромагнитно индуцированной прозрачности. Физ. Преподобный Летт. 119 , 050602 (2017).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  4. Ма, Ю.-Х., Сюй, Д. , Донг, Х. и Сунь, К.-П. Универсальное ограничение на КПД и мощность теплового двигателя с малым рассеянием. Физ. Ред. E 98 , 042112 (2018 г.).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  5. Klatzow, J. et al. Экспериментальная демонстрация квантовых эффектов в работе микроскопических тепловых двигателей. Физ. Преподобный Летт. 122 , 110601 (2019).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  6. Фон Линденфельс, Д. и др. Спиновая тепловая машина, соединенная с маховиком гармонического генератора. Физ. Преподобный Летт. 123 , 080602 (2019).

    Артикул

    Google ученый

  7. Ван Хорн, Н. и др. Одноатомное устройство преобразования энергии с квантовой нагрузкой. npj Квантовая инф. 6 , 37 (2020).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  8. Бутон, К. и др. Квантовый тепловой двигатель, приводимый в движение атомными столкновениями. Нац. коммун. 12 , 2063 (2021).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  9. Скалли, М. О., Зубайри, М. С., Агарвал, Г. С. и Вальтер, Х. Извлечение работы из одной тепловой ванны с помощью исчезающей квантовой когерентности. Наука 299 , 862–864 (2003).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  10. Huang, X., Wang, T. & Yi, X. et al. Влияние сжатия резервуара на квантовые системы и извлечение работы. Физ. Ред. E 86 , 051105 (2012 г.).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  11. Росснагель, Дж. , Абах, О., Шмидт-Калер, Ф., Сингер, К. и Лутц, Э. Наноразмерная тепловая машина за пределом Карно. Физ. Преподобный Летт. 112 , 030602 (2014).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  12. Даг, К.Б., Нидензу, В., Мюстекаплиоглу, О. Э. и Куризки Г. Многоатомные квантовые когерентности в микромазерах как топливо для тепловых и нетепловых машин. Энтропия 18 , 244 (2016).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    MathSciNet

    Google ученый

  13. Клаерс, Дж., Фаэлт, С., Имамоглу, А. и Тоган, Э. Сжатые тепловые резервуары как ресурс для наномеханического двигателя за пределом Карно. Физ. X 7 , 031044 (2017 г.).

    Google ученый

  14. Peterson, J.P. et al. Экспериментальная характеристика спиновой квантовой тепловой машины. Физ. Преподобный Летт. 123 , 240601 (2019).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  15. Скалли, М. О., Чапин, К. Р., Дорфман, К. Э., Ким, М. Б. и Свидзинский, А. Мощность квантовой тепловой машины может быть увеличена за счет индуцированной шумом когерентности. Проц. Натл акад. науч. США 108 , 15097–15100 (2011 г.).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  16. Гельбвазер-Климовски Д., Ниденцу В., Брумер П. и Куризки Г. Повышение мощности тепловых двигателей за счет коррелированной термализации в трехуровневой «рабочей жидкости». науч. Респ. 5 , 14413 (2015).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  17. Ван, Дж., Хе, Дж. и Ву, З. Эффективность квантовых тепловых двигателей при максимальной выходной мощности при работе за конечное время. Физ. Ред. E 85 , 031145 (2012).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  18. Хардал, А. Ю. и Мюстекаплиоглу, О. E. Сверхизлучающая квантовая тепловая машина. науч. Респ. 5 , 12953 (2015).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  19. Ямамото Ю. и Имамоглу А. Мезоскопическая квантовая оптика. Мезоскопическая квантовая оптика (1999).

  20. Ниденцу В., Гельбвазер-Климовски Д., Кофман А. Г. и Куризки Г. О работе машин, работающих на квантовых нетепловых ваннах. New J. Phys. 18 , 083012 (2016).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  21. Francica, G. et al. Квантовая когерентность и эрготропия. Физ. Преподобный Летт. 125 , 180603 (2020).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    MathSciNet

    Google ученый

  22. «>

    Фридберг, Р. и Манасса, Дж. Дике констатируют и Блох констатируют. Лазерная физ. лат. 4 , 900 (2007 г.).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  23. Ле Кин, Ф., Скалли, М. и Вальтер, Х. Генерация когерентного состояния поля микромазера. Найдено. физ. 23 , 177–184 (1993).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  24. Ким, Дж., Ян, Д., О, С.-Х. и Ан, К. Когерентное одноатомное сверхизлучение. Наука 359 , 662–666 (2018).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    MathSciNet

    Google ученый

  25. Штек Д. А. Квантовая и атомная оптика. (2007).

  26. Тюркпенсе, Д. и Роман-Анчейта, Р. Настройка времени термализации полого поля с использованием различных атомных резервуаров. J. Опт. соц. Являюсь. Б 36 , 1252–1259 (2019).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  27. Ма, Ю.-Х., Лю, К. и Сунь, К. Работает с квантовым ресурсом когерентности. Препринт на https://arxiv.org/abs/2110.04550 (2021 г.).

  28. Лю, С. и Оу, К. Максимальная выходная мощность квантового теплового двигателя с энергетической ванной. Энтропия 18 , 205 (2016).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  29. Родригес-Росарио, К.А., Фрауэнхайм, Т. и Аспуру-Гузик, А. Термодинамика квантовой когерентности. Препринт на https://arxiv.org/abs/1308.1245 (2013 г.).

  30. Ronzani, A. et al. Перестраиваемый фотонный перенос тепла в квантовом тепловом клапане. Нац. физ. 14 , 991–995 (2018).

    Артикул

    Google ученый

  31. «>

    Lee, M. et al. Трехмерное изображение пустотного вакуума с отдельными атомами, локализованными массивом наноотверстий. Нац. коммун. 5 , 3441 (2014).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  32. Ян Д. и др. Реализация сверхпоглощения за счет обращения сверхизлучения во времени. Нац. Фотон. 15 , 272–276 (2021).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

  33. Quan, H.-T., Liu, Y.-X, Sun, C.-P. и Нори, Ф. Квантовые термодинамические циклы и квантовые тепловые двигатели. Физ. Ред. E 76 , 031105 (2007 г.).

    Артикул
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    MathSciNet

    Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

К.А. признает финансовую поддержку Корейского исследовательского фонда (грант № 2020R1A2C3009299) и Министерства науки и ИКТ Кореи в рамках программы ITRC (гранд № IITP-2021-2018-0-01402).

Информация об авторе

Авторы и организации

  1. Факультет физики и астрономии и Институт прикладной физики Сеульского национального университета, Сеул, Корея

    Джинук Ким, Сеунг-хун О и Кёнвон Ан

  2. Передовой технологический институт Samsung, Samsung Electronics, Сувон, Корея

    Daeho Yang

  3. SKKU Advanced Institute of Nano Technology, Sungkyunkwan University, Suwon, Korea

    Junki Kim

  4. Факультет электротехники, Пхоханский университет науки и технологии, Пхохан, Корея

    Moonjoo Lee

Авторы

  1. Jinuk Kim

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  2. Seung-hoon Oh

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  3. Daeho Yang

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Академия

  4. Junki Kim

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  5. Moonjoo Lee

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  6. Kyungwon An

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

Взносы

Джинук Ким и К. А. задумал эксперимент. Джинук Ким провел эксперимент с помощью С.О. проанализировали данные и провели теоретические исследования. К.А. руководил общими экспериментальными и теоретическими работами. Джинук Ким и К.А. написал рукопись. Все авторы участвовали в анализе и обсуждении.

Автор, ответственный за переписку

Кёнвон Ан.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Рецензирование

Информация о рецензировании

Nature Photonics благодарит Марлана Скалли и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Расширенные данные

Расширенные данные Рис. 1 Диаграмма давление-объем.

Диаграмма давление-объем сверхизлучающего квантового двигателя.