突破热机效率极限、掀起新工业革命？提出60年的“量子热机”概念被实现了

大约60年前，贝尔实验室的两位物理学家斯科维尔(Scovil)和舒尔茨-杜布瓦(Schulz-DuBois)首次提出了微波激射器，“量子热机”概念因此而生。顾名思义，量子热机是以“量子物质”为工作物质对并外做功的热机。

在随后的几年里，其他研究人员在斯科维尔和舒尔茨-杜布瓦的思想基础上发展了各种各样的理论，提出了关于量子尺度上热力学循环的想法。随着科学探索的深入，近年来，物理学家们逐渐有了在实验环境中测试这些理论的机会。

其中一项实验是由滑铁卢大学、美国联邦大学和巴西科学中心联合进行的，他们在实验室环境中成功演示了一个基于自旋1/2系统和核磁共振技术的自旋量子热机，相关论文发表在了著名物理学周刊《Physical Review Letters》上。

在论文《自旋量子热机的实验表征》(Experimental Characterization of a Spin Quantum Heat Engine)概述中，他们写道：“通过评估与功和热流有关的能量波动，显微镜尺度下的不可逆性得以确定。另外我们还研究了有限时间与熵产生相关的效率滞后。该热机在热和量子涨落(与瞬时能量本征态之间的跃迁有关)都与其描述相关的状态下工作。在最大功率下执行量子奥托循环,概念验证量子热机效率能够实现非常接近其热力学极限(η= 44%)的提取(η≈42%)。”

在实验中，研究人员利用射频场来操纵碳13同位素的核自旋，创造了一个奥托循环。研究人员解释：“2种可能的核自旋状态(比如向上和向下)之间的能量增减，就类似于汽车发动机中的活塞膨胀和压缩。”

其结果是，“在目前的实验中，除了量子尺度上的不可逆性外，我们能够描述功和热的所有能量波动。”

量子热机研究最重要的意义在于，理论上，量子热机对外做功量比经典热机要多，而且其热机效率可以超越经典热机的效率上限。

研究人员之一的罗伯托·塞拉(Roberto Serra)表示：“这一新兴领域也与量子技术的发展有关，这预示着一场纳米级的新工业革命，将会带来计算、通信、传感器等领域的颠覆性设备。”