Átírhatják a termodinamika 200 éves törvényét

A hagyományos hőerőgépek, mint például a belső égésű motorok és a gőzturbinák, úgy működnek, hogy a hőenergiát mechanikai mozgássá alakítják, vagy egyszerűen a hőt mozgássá alakítják. Az elmúlt években a kvantummechanika fejlődése lehetővé tette a kutatók számára, hogy a hőerőgépeket mikroszkopikus méretekre zsugorítsák.

„Az apró, egyetlen atomnál nem nagyobb motorok a jövőben valósággá válhatnak” – mondja Eric Lutz professzor, a Stuttgarti Egyetem Elméleti Fizikai Intézetének I. osztályú munkatársa. „Most már az is nyilvánvaló, hogy ezek a motorok nagyobb maximális hatásfokot érhetnek el, mint a nagyobb hőerőgépek.”

Lutz professzor és Dr. Milton Aguilar, posztdoktori kutató ugyanebben az intézetben, a Science Advances folyóiratban megjelent cikkükben ismertetik a meglepő eredmény mögött meghúzódó fizikát. Egy három kérdésből álló interjúban felvázolják, mit fedeztek fel, és miért fontos ez.

Közel két évszázaddal ezelőtt a francia fizikus, Sadi Carnot meghatározta az elméleti maximális hatásfokot, amelyet bármely hőerőgép elérhet. A Carnot-elv, amely később a termodinamika második főtételének részévé vált, nagyméretű rendszerekre, például gőzturbinákra lett megfogalmazva.

A stuttgarti kutatók most kimutatták, hogy ezt az elvet ki kell terjeszteni, ha atomi szintű rendszerekre alkalmazzák. Ez különösen igaz az erősen korrelált molekuláris motorokra, ahol a részecskék szorosan kapcsolódnak egymáshoz olyan módon, amelyet a klasszikus termodinamika nem vesz figyelembe.

Carnot eredeti munkája kimutatta, hogy a hatékonyság a hőmérséklet-különbségektől függ, a meleg és hideg közötti nagyobb különbség nagyobb potenciális hatékonyságot eredményez. Amit a klasszikus megfogalmazás nem tartalmaz, az a kvantumkorrelációk hatása. Ezek finom kapcsolatok, amelyek a részecskék között jönnek létre, amikor a rendszerek rendkívül kicsivé válnak.

A kutatók elsőként vezettek le olyan általánosított termodinamikai törvényeket, amelyek teljes mértékben magukban foglalják ezeket az összefüggéseket. Eredményeik azt mutatják, hogy az atomi méretű termikus gépek nemcsak a hőt képesek munkává alakítani, hanem magukat a kvantumkorrelációkat is. Ezen többlethatás miatt az ilyen gépek több munkát tudnak generálni, mint amennyit a klasszikus elmélet megenged, ami azt jelenti, hogy egy kvantummotor hatásfoka meghaladhatja a hagyományos Carnot-határértéket.

Az alapvető fizika finomításán túl a kutatás új lehetőségeket nyit a jövőbeli alkalmazások számára. A fizikai törvények atomi szintű működésének mélyebb megértése felgyorsíthatja a következő generációs technológiák fejlesztését, beleértve az ultrakicsi és nagy hatékonyságú kvantummotorokat, amelyek képesek precíz nanoskálájú feladatokra.

Az ilyen motorok egy napon orvosi nanobotokat működtethetnek, vagy olyan gépeket irányíthatnak, amelyek atomról atomra manipulálják az anyagokat. A lehetséges felhasználási módok skálája hatalmas, ami rávilágít arra, hogy az alapvető tudományos elvek újragondolása hogyan vezethet teljesen új technológiai horizontokhoz – írta meg a ScienceDaily.