无摩擦的量子热机做功

发布日期: 2018-07-13   作者:  浏览次数: 89

长期以来,对发动机的研究一直是人类现代工业的研究重心之一,但是经典发动机的运行面临着熟悉的绝热定理:提高设备的效率需要较长的运行时间,降低了输出功率;而较短的循环时间却会增加摩擦和损耗,从而降低了效率。这使得任何现实设备都将面临这种权衡,从而几乎很难达到理论热机极限。

近期实验室超冷量子气体课题组以强相互作用的费米原子气体为工作介质,实现了量子热机无摩擦超绝热压缩和膨胀冲程,研究了等价的超绝热平均功和它的绝热值,可以通过量子绝热捷径来调控远离平衡量子器件的动力学,以抑制量子摩擦,解决了一个大家广泛关心的科学问题。研究表明这种权衡不是根本的,其量子效率有望达到经典卡诺热机极限,相关研究成果见Sci. Adv. 4,5909(2018)

1展示了实验所采用的装置图和操控方案,实验采用两束互相正交的远失谐激光来构建交叉偶极阱,其中一束激光束腰用柱面镜拉伸形成椭圆形光束,可以更加容易操控原子气体的频率。2展示了量子热机绝热冲程的量子摩擦以及对外做功情况:其中A图表征绝热冲程的量子摩擦,采用局域透热驱动量子绝热捷径方案使得红色曲线(和蓝色数据)所代表的非绝热系数能够回归至1,表征系统量子摩擦被大幅度抑制,实现了零摩擦做功;B图表征系统对外做功情况,采用局域透热驱动的量子绝热捷径方案使得系统对外做功增加42.3%,实现了最大功率输出。

 

1 A)实验装置简图(B)实验所采用的局域透热驱动的量子绝热捷径操控方案示意图

  

  

 

2 量子热机绝热冲程的量子摩擦和对外做功的数据图。 A图数据表征绝热冲程的量子摩擦, B图表征系统对外做功情况。点为实验测量结果,实线为理论预测

  

Sci.Adv.4,5909(2018).pdf