Вперше в історії вчені довели, що 200-річний закон фізики не діє на атомному рівні

Фізики з Університету Штутгарта вперше експериментально довели, що принцип Карно — класична межа ефективності теплових двигунів — не застосовується до систем на атомному рівні, у яких частинки мають квантові кореляції. Це відкриття, опубліковане в журналі Sci­ence Advances, може прокласти шлях до створення надмалих і надефективних квантових двигунів.

У традиційних двигунах, як-от у парових турбінах чи двигунах внутрішнього згоряння, тепло перетворюється на механічну роботу з максимальною ефективністю, обмеженою різницею температур між гарячим і холодним резервуарами — як це сформулював ще у XIX столітті французький фізик Саді Карно. Але нові дослідження Еріка Луца та Мілтона Агілари доводять, що на мікроскопічному рівні ця межа може бути перевищена.

В основі відкриття лежить врахування квантових кореляцій — особливих зв’язків між частинками на атомному рівні. У таких умовах теплові машини можуть перетворювати на роботу не лише тепло, а й енергію, приховану в кореляціях. Саме це дозволяє мініатюрним квантовим двигунам перевищувати ефективність, яку вважали граничною за класичною термодинамікою.

Науковці пояснюють, що вони вперше вивели узагальнені закони термодинаміки, які враховують вплив цих кореляцій. Ці закони радикально змінюють уявлення про межі енергоефективності на мікроскопічному рівні й можуть стати основою для створення надточних нанопристроїв.

У перспективі подібні квантові двигуни можуть стати рушієм медичних нанороботів або пристроїв для керованої обробки матеріалів на атомному рівні. Як зазначає професор Лутц, потенціал таких технологій є «надзвичайно різноманітним» і відкриває новий вимір у мініатюрній інженерії.