ТАСС, 27 сентября. Физики из Германии и Японии разработали подход, который позволяет использовать охлажденные до абсолютного нуля фермионы и бозоны в качестве основы для своеобразных "квантовых двигателей", способных эффективно преобразовать энергию этих частиц в механическую работу. Об этом в среду сообщила пресс-служба Окинавского института науки и технологий (OIST). Работа опубликована в журнале Nature.
"Фермионы можно превратить в бозоны, если взять две подобных частицы и соединить их в одну молекулу. В свою очередь, распад этой молекулы приводит к превращению бозона в пару фермионов. Циклические превращения подобного рода позволяют нам питать энергией двигатель, не используя при этом тепла", - заявил профессор OIST Томас Буш, чьи слова приводит пресс-служба института.
Как отмечают профессор Буш, в прошлом ученые уже пытались использовать квантовые частицы микромира для создания наноскопических аналогов механических двигателей, однако все подобные устройства использовали тепло для работы, как это делали и первые паровые двигатели конца XVII века. Японским и немецким физикам впервые удалось использовать исключительно квантовые процессы для того, чтобы преобразовать энергию в механическую работу.
В своей работе созданная ими установка опирается на то, что все частицы микромира можно разделить на две категории - бозоны и фермионы. К числу первых относятся переносчики фундаментальных взаимодействий, частицы света, а также атомы с четным числом протонов и разные молекулы. К категории фермионов относятся электроны, протоны и многие другие элементарные частицы, обладающие дробным спином, а также атомы с нечетным числом протонов и электронов.
Высокоэффективный квантовый двигатель
Профессор Буш и его коллеги обратили внимание на то, что при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, бозоны всегда обладают более низкой энергией, чем фермионы, что связано с принципом запрета Паули, который не дает фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это натолкнуло ученых на мысль, что циклическое превращение фермионов в бозоны и обратно позволяет использовать их для "перекачки" энергии и питания квантового аналога теплового двигателя.
Руководствуясь этой идеей, физики создали прототип подобной установки, он представляет собой газообразное облако из атомов лития-6, помещенное в специальную ловушку, которая вытянула эти частицы в двумерную линию. В состоянии покоя атомы лития-6 являются обособленными фермионами, однако их слияние в молекулы из двух атомов превращает их в бозоны, что позволяет им сблизиться и объединиться в квантовую субстанцию, физики называют ее конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Периодические переключения между этими состояниями при помощи магнитных полей приводят к тому, что линия из атомов лития-6 начинает сжиматься и расширяться, подобно поршню внутри двигателей внутреннего сгорания или первых паровых двигателей. В результате этого до 25% энергии, закаченной в двигатель, превращается в механические движения атомов, что является достаточно высоким уровнем КПД по сравнению с тепловыми двигателями.
При этом физики прогнозируют, что дополнительное повышение степени сжатия облака из атомов может привести к повышению КПД квантового двигателя до 50%. Это позволит использовать подобные установки для создания миниатюрных механических устройств, технологий передачи энергии и мельчайших холодильных систем, работа которых будет всецело опираться на законы микромира и не зависеть от внешних источников тепла и других форм энергии, подытожили ученые.