in

Thiết bị nano lượng tử mới có thể đồng thời hoạt động như một động cơ nhiệt và máy lạnh

Các kỹ sư của RIKEN đã chế tạo ra một loại máy nanomachine đa nhiệm có thể hoạt động như một động cơ nhiệt và một máy lạnh. Thiết bị này là một trong những thiết bị đầu tiên kiểm tra cách các hiệu ứng lượng tử, thứ chi phối hành vi của các hạt ở quy mô nhỏ nhất, một ngày nào đó có thể được khai thác để nâng cao hiệu suất của công nghệ nano.

Động cơ nhiệt và máy lạnh thông thường hoạt động bằng cách kết nối hai bể chất lỏng. Nén một bể sẽ làm cho chất lỏng của nó nóng lên, trong khi việc mở rộng/giãn nở nhanh chóng bể kia sẽ làm mát chất lỏng của nó. Nếu các hoạt động này được thực hiện theo chu kỳ tuần hoàn, các bể sẽ trao đổi năng lượng và hệ thống có thể được sử dụng như một động cơ nhiệt hoặc máy lạnh.

Keiji Ono thuộc Phòng thí nghiệm thiết bị tiên tiến RIKEN cho biết sẽ không thể thiết lập một cỗ máy macroscale thực hiện cả hai tác vụ đồng thời — các kỹ sư cũng không muốn như vậy. Ông nói: “Việc kết hợp động cơ nhiệt truyền thống với máy lạnh sẽ khiến nó trở thành một cỗ máy hoàn toàn vô dụng. “Nó không biết phải làm gì.”

Nhưng mọi thứ lại khác khi bạn thu nhỏ mọi thứ lại. Các nhà vật lý đã và đang phát triển các thiết bị ngày càng nhỏ hơn, đôi khi dựa trên các nguyên tử đơn lẻ. Ở những quy mô nhỏ bé này, chúng phải tính đến lý thuyết lượng tử – một tập hợp các định luật kỳ lạ, ví dụ, một electron có thể tồn tại ở hai nơi cùng một lúc hoặc có hai năng lượng khác nhau. Các nhà vật lý đang phát triển các khung lý thuyết và thí nghiệm mới để cố gắng tìm ra cách các hệ thống như vậy sẽ hoạt động.

Phiên bản lượng tử của động cơ nhiệt sử dụng một điện tử trong bóng bán dẫn. Electron có hai trạng thái năng lượng có thể có. Nhóm nghiên cứu có thể tăng hoặc giảm khoảng cách giữa các trạng thái năng lượng này bằng cách áp dụng điện trường và vi sóng. Ono, người dẫn đầu thí nghiệm cho biết: “Điều này có thể tương tự với hoạt động nén giãn nở định kỳ của một chất lỏng trong buồng”. Thiết bị này cũng phát ra sóng vi ba khi electron đi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn.

Bằng cách theo dõi xem mức năng lượng trên có bị chiếm dụng hay không, nhóm nghiên cứu đầu tiên đã chứng minh rằng thiết bị nano có thể hoạt động như một động cơ nhiệt hoặc như một chiếc máy lạnh. Nhưng sau đó, họ đã cho thấy một điều xa lạ – máy nanomachine có thể hoạt động như cả hai cùng một lúc, đó là một hiệu ứng lượng tử thuần túy. Các nhà nghiên cứu đã xác nhận điều này bằng cách xem xét sự chiếm dụng của mức năng lượng trên, mức năng lượng này kết hợp với nhau để tạo ra một mẫu giao thoa đặc trưng. Ono cho biết: “Có một sự trùng khớp gần như hoàn hảo giữa hình thái giao thoa thực nghiệm và điều được dự đoán bằng lý thuyết.

“Điều này có thể cho phép chuyển đổi nhanh chóng giữa hai chế độ hoạt động,” Ono giải thích. “Khả năng này có thể giúp tạo ra các ứng dụng mới với các hệ thống như vậy trong tương lai.”

Scitechdaily – Reference: “Analog of a Quantum Heat Engine Using a Single-Spin Qubit” by K. Ono, S. N. Shevchenko, T. Mori, S. Moriyama and Franco Nori, 15 October 2020, Physical Review Letters.

Bản quyền thuộc về XecoV, đề nghị ghi rõ nguồn:

"EnterKnow & XecoV"

Khi sao chép nội dung. Xin Cảm Ơn!

Bạn nghĩ sao?

1.1k Points
Upvote Downvote
Expert

Được viết bởi Nguyễn Quang

Years Of MembershipUp/Down VoterContent Author

Bình luận

Leave a Reply