Dlaczego zasada Carnota traci znaczenie w mikroświecie?
Zespół niemieckich fizyków odkrył, że słynna zasada Carnota po prostu nie znajduje zastosowania w przypadku obiektów atomowych, gdzie występują skomplikowane powiązania między właściwościami fizycznymi. Ich praca wskazuje na konieczność przewartościowania naszego rozumienia termodynamiki. Profesor Eric Lutz wyjaśnia znaczenie tego odkrycia:
Prawie dokładnie 200 lat temu francuski fizyk Sadi Carnot ustalił maksymalną wydajność silników cieplnych. Zasada Carnota została opracowana dla dużych, makroskopowych obiektów. Jednakże, byliśmy teraz w stanie udowodnić, że zasadę Carnota należy rozszerzyć, aby opisać obiekty w skali atomowej
Czytaj też: Przez cudzą dłoń. Sparaliżowany mężczyzna odzyskuje dotyk dzięki przełomowej technologii
Najważniejszym elementem tej układanki są korelacje kwantowe. W mikroświecie cząstki mogą być ze sobą powiązane w sposób niemożliwy do zaobserwowania w skali makro. Te niezwykłe powiązania powodują, że systemy kwantowe zachowują się zgodnie z innymi prawami niż te, które Carnot opracowywał z myślą o maszynach parowych.
Dwa tryby działania: gdzie kończą się ograniczenia klasycznej termodynamiki
Najciekawszy aspekt tego odkrycia dotyczy podwójnej natury działania silników kwantowych. Z jednej strony mogą pracować w znanym nam reżimie termicznym, gdzie ciepło przekształcane jest w pracę mechaniczna. Jednak istnieje też drugi, bardziej egzotyczny tryb funkcjonowania. W reżimie atermicznym silniki kwantowe czerpią energię nie z konwencjonalnego ciepła, lecz ze źródeł entropijnych, głównie z korelacji między systemem a jego otoczeniem. W tym specyficznym stanie wydajność nie podlega już ograniczeniom narzuconym przez formułę Carnota.
Po raz pierwszy wyprowadziliśmy uogólnione prawa termodynamiki, które w pełni uwzględniają te korelacje. Nasze wyniki pokazują, że maszyny termiczne działające w skali atomowej mogą przekształcać w pracę nie tylko ciepło, ale także korelacje – dodają autorzy
Czytaj też: Hodowanie metalu zamiast drukowania. Naukowcy znaleźli sposób na superwytrzymałe struktury
W praktyce oznacza to, iż silniki kwantowe potencjalnie mogą osiągać wyższą wydajność niż ich tradycyjne odpowiedniki. Testy przeprowadzone na dwuoscylatorowym silniku kwantowym wykazały, że reżim atermiczny występował w ponad 87% możliwych konfiguracji. Choć brzmi to nieco futurystycznie, odkrycie może mieć całkiem praktyczne konsekwencje. Potencjalne zastosowania obejmują medyczne nanourządzenia zdolne do precyzyjnego dostarczania leków, maszyny manipulujące materią na poziomie atomowym oraz miniaturowe sensory o wydłużonym czasie działania. Na obecną chwilę pewne jest jedno: lepsze zrozumienie praw fizyki w skali atomowej przybliża nas do rozwoju technologii, które dziś wydają się jedynie teoretyczną możliwością. Dokonane odkrycie otwiera nowy rozdział w naszym rozumieniu mikroświata, a już za jakiś czas może się okazać, iż było to punktem zwrotnym w rozwoju nanotechnologii.