Учёные из Базельского университета показали, как в микроскопической световой системе можно согласованно разделить энергию на тепло и полезную работу. Новый математический подход помогает связать квантовую термодинамику с классической физикой и открывает возможности для более точного управления квантовыми устройствами.
Исследователи из Швейцарии изучили модель, в которой атом находится внутри оптического резонатора между двумя зеркалами, поглощает и испускает фотоны, а лазер постоянно подпитывает систему энергией. Часть света при этом выходит наружу через полупрозрачные зеркала. Такая схема представляет собой диссипативную систему, которая одновременно получает и теряет энергию, а сам атом в этих условиях можно рассматривать как микроскопическую «световую» машину.
Световая микромашина помогла по-новому взглянуть на тепло и работу
Ранее считалось, что энергия фотонов, покидающих резонатор, полностью уходит в виде бесполезного тепла. Теперь учёные показали, что часть этого излучения может рассматриваться как полезная работа, способная воздействовать на другую квантовую систему. Главное достижение нового исследования заключается в том, что такое разделение удалось математически согласовать с полуклассическим пределом, где свет уже описывается как классическая волна, а атом остаётся квантовым объектом.
В основе исследования лежит система «атом в оптическом резонаторе»: резонатор образован двумя зеркалами, между которыми циркулирует свет, а лазер непрерывно подкачивает в систему фотоны. Через частично прозрачные зеркала часть излучения выходит наружу, из-за чего система относится к диссипативным и постоянно обменивается энергией с окружающей средой. В полуклассическом пределе атом сохраняет квантовую природу, тогда как свет описывается уже как классическая волна. Новый подход позволяет корректно разделять выходящую энергию на тепло и работу, а также предсказывает уменьшение флуктуаций в потоке испускаемых фотонов.
В предыдущем представлении подобные системы трактовались проще: всё выходящее из резонатора излучение считалось тепловыми потерями. Теперь предложена более точная интерпретация, в которой часть энергии сохраняет способность совершать полезную работу. Кроме того, новый подход не противоречит классической физике при переходе к полуклассическому описанию, что особенно важно для согласования теорий.
Проблема разделения энергии на тепло и работу в малых квантовых системах долго оставалась одной из ключевых в современной физике. Когда размер системы сильно уменьшается, привычные термодинамические понятия становятся размытыми. Работа швейцарских учёных помогает устранить это противоречие и даёт более цельное понимание того, как устроены микроскопические энергетические процессы.
Источник: Phys, исследование учёных из Базельского университета, Хайтек+
