微型量子引擎揭示了隐藏在“废热”中的有用能量

仅由原子和光粒子组成的微型机器听起来可能简单得难以置信，但它提出了一个令人惊讶的困难问题：什么算作热量，什么能量仍然可以做有用的功？巴塞尔大学的研究人员开发了一个理论框架，使这些微观“光引擎”的量子物理学和热力学更加一致。两个镜子（左）之间的空腔中的原子充当驱动耗散量子系统中的热机，其中能量不断地增加和损失到环境中。如果仅用量子力学描述原子而不描述光，则逃逸光（中）的波动会减少（右）。图片来源：Enrique Sahagún，Scixel / 巴塞尔大学物理系 当机器仅由原子和光粒子构成时，什么算作热量，什么才算是有用功？在新兴的量子技术中，诸如此类的问题将出于截然不同的目的而开发的两个物理学分支结合在一起。瑞士巴塞尔大学的研究人员现在推出了一个理论框架，旨在使热力学和量子物理学在同一环境下一致地发挥作用。热力学出现于 19 世纪，主要是为了解释蒸汽机等大型机器如何转换和传递能量。

20 世纪初发展起来的量子物理学则专注于原子和亚原子粒子。然而如今，这两个领域越来越重叠。由原子和光粒子（光子）构建的微小系统可以吸收能量、转换能量并释放能量，从而使它们能够充当微观量子机器。一个主要的挑战是找到一种在整个系统被量子力学处理和在半经典极限下仍然有效的描述。后者是一种极限情况，其中系统的一部分采用量子力学处理，而经典物理学足以处理另一部分。巴塞尔大学帕特里克·波茨教授小组的研究人员现已在《物理评论快报》上提出了这种方法。

“我们的计算考虑的是放置在两个镜子之间的空腔中的原子的具体物理模型，在那里它可以吸收和发射光粒子，”博士后马塞洛·亚诺维奇说。