Hoewel veel van de huidige geaccepteerde theorieën over klassieke thermodynamica zelfs van vóór de industriële revolutie dateren, hebben ze ertoe bijgedragen dat er blijven veel open vragen over hoe deze ideeën zich vertalen naar het niveau van enkele kwantumsystemen. Vooral, het potentieel voor superpositie van toestanden heeft tot nu toe onontgonnen implicaties voor thermodynamisch gedrag. Nutsvoorzieningen, een samenwerking van onderzoekers in Japan, de Oekraïne en de VS hebben een kwantumapparaat geproduceerd dat zich niet alleen analoog kan gedragen aan een warmtemotor en een koelkast, maar ook een superpositie van beide tegelijk.

Keiji Ono, Sergey Shevchenko en Franco Nori - die een band delen met RIKEN in Japan, tussen hun andere instellingen, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering en de University of Michigan - hadden allemaal met qubits in verschillende gedaanten gewerkt. Ze kwamen samen om het gedrag van qubits op basis van onzuiverheden in silicium voor kwantuminterferometrie te onderzoeken voordat ze hun aandacht richtten op hoe het gedrag van deze systemen zou kunnen lijken op klassieke warmtemotoren.

Experimentele uitdagingen

Het onderzoeken van thermodynamica op kwantumniveau opent enkele intrigerende mogelijkheden. "Een van de onderwerpen die op dit gebied worden besproken, is de mogelijkheid van kwantumwarmtemotoren om de efficiëntie van klassieke motoren te overwinnen, " Shevchenko suggereert als voorbeeld. Echter, het is niet zonder uitdagingen, wat betekent dat de meeste studies tot nu toe puur theoretisch waren. Onder andere kenmerken, voor kwantumtechnologie, het is belangrijk om qubits te hebben die "hot, gespannen, en coherent, " Shevchenko vertelt Phys.org. Hier, "heet" betekent werken in het regime van weinig Kelvin, die, terwijl het nog behoorlijk ijzig is, is technologisch minder uitdagend dan systemen die moeten worden afgekoeld tot millikelvins. De wisselwerking is dat dergelijke hete systemen moeilijker te beschrijven en te controleren zijn, maar hier, de onderzoekers konden hun schat aan expertise benutten met op silicium gebaseerde qubits.

Ono, Shevchenko en Nori en hun medewerkers baseerden hun kwantumthermodynamica-onderzoeken op een tunneling-veldeffecttransistor gemaakt van dicht geïmplanteerde onzuiverheden in silicium. Onder source-gain spanningen, transport over hun apparaat wordt gedomineerd door tunneling tussen een onzuiverheid nabij het oppervlak (ondiep) en een dichtbij maar dieper in het materiaal, het creëren van een apparaat met twee energieniveaus. Het elektronentransportgedrag van het apparaat geeft aanleiding tot interessante spinkarakteristieken, vooral, een elektronenspinresonantie waarbij de bron-afvoerstroom piekt voor specifiek aangelegde AC- en DC-magnetische velden. Van deze resonantiepiek, ze waren in staat om twee karakteristieke tijdschalen te extraheren die de levensduur van de aangeslagen toestand op de onzuiverheid en de decoherentietijd weerspiegelen. De decoherentietijd bepaalt hoe lang een bepaalde faserelatie tussen de golffunctie en andere wordt behouden, die superpositie en interferentie mogelijk maakt.

Naast het kunnen aansturen van het apparaat met de poortspanning om de twee energieniveaus te vullen, de onderzoekers konden ook de kloof tussen de energieniveaus aanpassen door de frequentie en amplitude van de magnetische velden te moduleren. Als resultaat, afhankelijk van of het systeem naar de aangeslagen toestand werd gedreven wanneer de opening groot was en ontspannen wanneer deze kleiner was of omgekeerd, het zou analoog werken aan een Otto-warmtemotor of koelkast. De interessante kwantumeffecten treden op wanneer de relaxatieperiode en de periode van de stuurspanning beginnen samen te vallen. Op dit punt, ze laten zien dat de apparaatfunctie zich in een superpositie van zowel een motor als een koelkast kan bevinden. Theoretische berekeningen van de excitatiekans kwamen perfect overeen met de gemeten piekstromen.

Grenzen en toekomstige ontwikkelingen

Er zijn enkele verschillen tussen de werking van hun kwantumapparaat en een klassieke warmtemotor of koelkast. Vooral, er zijn geen warmtebaden, hoewel hun apparaat is aangesloten op hogere en lagere spanningskabels, fungeren als elektrische analogen van warmtebaden. Niettemin, Shevchenko zegt, "Het is verrassend om de nieuwe mogelijkheid te overwegen van een kwantumsuperpositie van een kleine motor en een kleine koelkast."

Hoewel de eerste die erkende dat in het macroscopische of klassieke geval, zo'n apparaat zou niet aan veel praktische eisen voldoen, de onderzoekers hopen dat het voor kwantumobjecten nieuwe functionaliteiten kan introduceren die niet alleen interessant maar ook nuttig zijn. Als een ander voorbeeld, Shevchenko citeert de laser, die werd uitgevonden lang voordat de nu alomtegenwoordige toepassingen duidelijk werden. "Wij geloven dat onze resultaten wetenschappelijk interessant zijn, " Shevchenko vertelt Phys.org. "Voorlopig, we onderzoeken de basisfysica ervan, en [geloven] dat de mogelijke toepassingen op dit moment niet duidelijk zijn. Dat gebeurt vaak in de wetenschap."

© 2020 Wetenschap X Netwerk