量子效应使纳米机器既是热机又是冷机

RIKEN的工程师创造了一种可以同时充当热机和冰箱的多任务纳米机。

科学家开发出这一设备,主要是想检验某些量子效应——有朝一日,我们或许就可以通过今天的发现,在最小规模上操控粒子的行为,提升纳米技术的潜力。

这里的冰箱和典型热机本质上并无区别。比如说,我们把两个气缸连在一起。压缩一个缸会导致其内部流体发热,而使另一个缸会内流体快速膨胀,则可以制冷。如果周期性地执行上述操作,则两个气缸交换能量,该系统可用作热力发动机或冰箱。

RIKEN高级设备实验室的Keiji Ono说,在宏观上,上述设计毫无意义,没有哪个工程师会对它感兴趣。但是,当设备的规格足够小时,一切都不同了。

物理学家试图开发的微设备,甚至基于单个原子。在如此尺度上,必须考虑量子理论。

量子形式的热机,气缸=晶体管,内部的气体=电子。

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小这些能量状态之间的差异。“类似于腔室内流体的周期性膨胀-压缩操作,”当电子从高能级降到较低能级时,该装置还会发出微波。

该团队首先证明了纳米器件可以充当热机或冷机。但是随后,他们看到了神奇的东西:因为纯粹的量子效应,纳米机器可以同时充当热机和冷机。

One解释说:“允许在两种操作模式之间快速切换。这种能力将来可以帮助我们制造出新颖的纳米机器。”

原文:https://phys.org/news/2020-12-quantum-nanodevice-simultaneously-refrigerator.html

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