Onderzoek van de Universiteit van Manchester heeft nieuw licht geworpen op het gebruik van geminiaturiseerde 'warmtemotoren' die ooit zouden kunnen helpen bij het aandrijven van nanoschaalmachines zoals kwantumcomputers.

Warmtemotoren zijn apparaten die thermische energie omzetten in een nuttige vorm die bekend staat als 'werk' en die stroom kan leveren - net als elke andere motor.

Dr Ahsan Nazir, een Senior Lecturer en EPSRC Fellow gebaseerd op Manchester's Photon Science Institute en School of Physics and Astronomy, wilde zien hoe warmtemotoren presteerden op kwantumniveau, een subatomaire omgeving waar de klassieke wetten van de fysica niet altijd van toepassing zijn.

Warmtemotoren op deze schaal zouden kunnen helpen de geminiaturiseerde nanoschaalmachines van de toekomst aan te drijven. zoals componenten van kwantumcomputers.

het onderzoek van dr. Nazir, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling E , toonde aan dat warmtemotoren de neiging hadden om prestaties op kwantumschaal te verliezen vanwege de manier waarop dergelijke apparaten energie uitwisselen met externe warmtereservoirs - en er zou meer onderzoek nodig zijn om deze uitdaging te verhelpen.

"Warmtemotoren zijn apparaten die thermische energie omzetten in een bruikbare vorm die bekend staat als 'werk', " legde Dr Nazir uit.

"Behalve dat het van enorm praktisch belang is, het theoretische begrip van factoren die hun energieconversie-efficiëntie bepalen, heeft een diep begrip van de klassieke wetten van de thermodynamica mogelijk gemaakt.

"Onlangs, veel belangstelling heeft zich gericht op kwantumrealisaties van motoren om te bepalen of thermodynamische wetten ook van toepassing zijn op kwantumsystemen.

"In de meeste gevallen, deze motoren worden vereenvoudigd door de aanname dat de interactie tussen het werkende systeem en de thermische reservoirs verdwijnend klein is. Op de klassieke macroscopische schaal is deze veronderstelling doorgaans geldig - maar we erkenden dat dit misschien niet het geval is als de systeemomvang afneemt tot de kwantumschaal.

"Consensus over hoe de thermodynamica in dit zogenaamde sterke koppelingsregime moet worden benaderd, is nog niet bereikt. Dus hebben we een formalisme voorgesteld dat geschikt is voor de studie van een kwantumwarmtemotor in het regime van niet-verdwijnende interactiesterkte en dit toepassen op de zaak van een viertakt Otto-cyclus.

"Deze aanpak stelde ons in staat om een ​​volledige thermodynamische analyse uit te voeren van de energie-uitwisselingen rond de cyclus voor alle koppelingssterkten. We merken dat de prestaties van de motor afnemen naarmate de interactiesterkte merkbaarder wordt, en dus vormen niet-verdwijnende interactiesterkten tussen systeem en reservoir een belangrijke overweging bij de werking van kwantummechanische warmtemotoren."