Kvantiniai šiluminiai varikliai – ne koks nors madingas pseudomokslinis terminas, o visai reali kvantinės mechanikos sritis, galinti pasitarnauti netgi kuriant kvantinius kompiuterius. Mokslininkai sukūrė kvantinį variklį, kurio NVK artimas maksimaliam įmanomam šioje klasėje.Kvantiniai šiluminiai varikliai – ne koks nors madingas pseudomokslinis terminas, o visai reali kvantinės mechanikos sritis, galinti pasitarnauti netgi kuriant kvantinius kompiuterius.
Mokslininkai sukūrė kvantinį variklį, kurio NVK artimas maksimaliam įmanomam šioje klasėje. Darbas publikuotas „Physics Review Letters“ žurnale.
Kvantinio variklio idėją pirmą kartą dar 1959 metais išsakė fizikai Henry Scovil ir Erich Schulz-DuBois. Jie parodė, kad trijų lygmenų mazerį (centimetrų diapazono koherentinių elektromagnetinių bangų kvantinį generatorių) galima nagrinėti kaip šiluminę mašiną. Klasikinio variklio darbiniu kūnu dažniausiai pasirenkamas degių garų mišinys ar vandens garai. Kvantinio variklio darbinis kūnas – dalelės, kurių veikimą aprašo kvantinės mechanikos dėsniai. Panaudojant kvantinius efektus, į kuriuos klasikinėje termodinamikoje neatsižvelgiama, galima sukurti efektyvesnius variklius.
John Peterson iš Kanados Waterloo universiteto vadovaujamos fizikų grupės sukurtas variklis veikia, radiobangomis manipuliuojant chloroformo molekulėje esančio anglies-13 izotopo branduolių sukinius (jie yra šio variklio darbinis kūnas).
Energijos skirtumas tarp dviejų galimų branduolio sukinio būsenų (tarkime, viršun ir apačion) didėjo ir mažėjo panašiai kaip automobilo variklio cilindre kinta suspaudimo ir plėtimosi fazės. Tinkamomis sąlygomis, branduolių sukiniai molekulėje gali sugerti ir skleisti radiobangų atnešamą šilumą.
Panašiai kaip klasikiniame variklyje, kvantiniame variante yra šaldytuvas ir kaitintuvas – aukšto dažnio radiosignalas netoli Larmoro precesijos veikia kaip šildytuvas, o aušintuvo vaidmenį atlieka žemo dažnio radiobangos. Anglies branduoliai aušintuve vėsta, paskui darbinis kūnas išplečiamas su branduolio sukiniu rezonuojančiomis radiobangomis (naudingo darbo atlikimas). Paskui anglies branduoliai kaitinami vandenilio branduoliais (vandenilis čia yra šilumos pernešėjas), ir, galiausiai, darbinis kūnas vėl suspaudžiamas (darbas atliekamas su juo).
 Kvantinio Otto variklio ciklo schema. Anglies branduoliai atšaldomi radiobangomis, paskui šilumos laidumo būdu įkaitinami vandenilio branduoliais (vandenilis veikia kaip šilumos pernešėjas) ir, atomai, suspausdami, atlieka darbą. © John Peterson et al./ Physics Review Letters, 2019 |
|---|
Maksimalus Otto ciklo NVK priklauso nuo suspaudimo koeficiento. Šio įrenginio maksimali reikšmė – apie 44 %. Atkliekant eksperimentus, pavyko gauti 42 % NVK – labai netoli ribinės reikšmės, kuri VDV su tokiu suspaudimo koeficientu nėra pasiekiama. Nors kvantinis variklis už klasikinį efektyvesnis, jo galia gerokai mažesnė.
Praktikoje kvantinių variklių naudoti dar neįmanoma – jie sukuria labai mažai energijos, kurios pakaktų pakeisti tik kitą sukinį. Pasak mokslininkų, dabar kur kas svarbiau išmatuoti pagrindines variklio charakteristikas ir suprasti jo stipriąsias ir silpnąsias puses. Turėdami šiuos duomenis, mokslininkai galės plėtoti kvantinių šiluminių mašinų technologijas. Pavyzdžiui, kvantinio šaldytuvo, kuris galėtų atšaldyti kvantinius kompiuterius. Garsiausias termodinaminis ciklas – Karno ciklas irgi turi savo kvantinį variklį. Jo NVK pirmą kartą viršijo maksimalų įmanomą klasikinio variklio NVK.
