Οι νόμοι της θερμοδυναμικής ορίζουν ότι η θερμότητα ρέει φυσικά από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα συστήματα μέχρι να επιτευχθεί θερμική ισορροπία. Ωστόσο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα κβαντικά συστήματα μπορούν να παρουσιάσουν συμπεριφορές που αποκλίνουν από αυτή την κλασική εικόνα.
Ερευνητές από το Qufu Normal University, το University of Hong Kong και το University of Palermo παρατήρησαν ένα ασυνήθιστο θερμικό φαινόμενο, κατά το οποίο ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να απορροφά θερμότητα από ψυχρότερες θερμικές δεξαμενές.
Το φαινόμενο αξιοποιήθηκε για τον σχεδιασμό μιας νέας κβαντικής μηχανής θερμότητας, η οποία μπορεί ταυτόχρονα να παράγει έργο και να λειτουργεί ως ψυγείο.
Η κβαντική υπέρθεση αλλάζει τη ροή της θερμότητας
Κεντρικό ρόλο στην έρευνα διαδραματίζει η αόριστη αιτιακή τάξη, γνωστή ως Indefinite Causal Order. Στον κβαντικό κόσμο, δύο διαδικασίες μπορούν να πραγματοποιούνται σε υπέρθεση διαφορετικών χρονικών διατάξεων.
«Η αόριστη αιτιακή τάξη επιτρέπει σε δύο γεγονότα να συμβαίνουν σε υπέρθεση διαφορετικών σειρών», εξήγησε ο Zhong-Xiao Man.
Οι ερευνητές μελέτησαν τι συμβαίνει όταν ένα κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με δύο θερμικές δεξαμενές διαφορετικών θερμοκρασιών. Τα αποτελέσματα οδήγησαν στην πρόβλεψη και την πειραματική επιβεβαίωση μιας ανώμαλης ροής θερμότητας, κατά την οποία το σύστημα απορροφά ενέργεια από ψυχρότερες πηγές.
Μια μηχανή που παράγει έργο και ψύχει ταυτόχρονα
Με βάση το φαινόμενο, η ομάδα σχεδίασε μια νέα κβαντική μηχανή Otto. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μηχανές θερμότητας, η συγκεκριμένη συσκευή μπορεί να παράγει χρήσιμο έργο και ταυτόχρονα να ψύχει ένα άλλο σύστημα.
«Η βασική ιδέα είναι ότι, στον κβαντικό κόσμο, δύο θερμικές διαδικασίες μπορούν να πραγματοποιούνται σε υπέρθεση διαφορετικών σειρών. Αυτό δημιουργεί μια ασυνήθιστη ροή θερμότητας», ανέφερε ο Man.
Η λειτουργία της μηχανής επιβεβαιώθηκε πειραματικά σε φωτονική πλατφόρμα, με τα αποτελέσματα να συμφωνούν με τις θεωρητικές προβλέψεις.
Πιθανές εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η νέα προσέγγιση θα μπορούσε στο μέλλον να αξιοποιηθεί για την ψύξη κβαντικών επεξεργαστών, καθώς και για τη διαχείριση θερμότητας σε κβαντικούς αισθητήρες, συστήματα απεικόνισης και συσκευές νανοκλίμακας.
Η συγκεκριμένη μηχανή αποτελεί προς το παρόν απόδειξη αρχής. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη πιο ρεαλιστικών κύκλων, στους οποίους οι λειτουργίες θα πραγματοποιούνται σε πεπερασμένο χρόνο.
«Στις πρακτικές συσκευές, η ταχύτητα έχει σημασία, καθώς καθορίζει όχι μόνο την αποδοτικότητα αλλά και την ισχύ εξόδου», σημείωσε ο Rosario Lo Franco.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters με τίτλο «Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order».