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项目名称:纳米尺度下的量子超级热机

 申报单位:物理系   人:渡边元太郎

项目简介

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热机是指各种利用热能做功的机械。随着科学技术的发展,热机的尺寸不断减小,已经可以达到纳米尺度,在原子物理、量子光学和量子热力学等领域中有广泛的应用。在这一原子尺度上,量子力学导致了许多神奇现象的产生,例如没有经典对应的量子纠缠和量子隐形传输。今天,这些量子力学的优势正在通信和计算机工程领域引发一场量子信息的革命。但在能源和机械工程领域,服从量子力学规律的热机并没有展示出超过经典热机能效的量子优势。
渡边元太郎和他的合作者挑战了这个问题。他们模拟了和热源耦合的一个量子二能级系统,在工作过程中利用环境的热能做功。这个模型相当于一个纳米尺度发动机的原型,在未来可以用来驱动一台量子计算机或其它纳米机械。他们的研究指出,由于热机工作环境的量子相干效应,量子热机在多次工作循环中的平均功率可以远远超出单次循环的功率。他们的发现表明,我们必须对纳米器件的量子热力学分析进行重大修正,摒弃与外界环境没有耦合的孤立热机模型。这一成果将对纳米尺度高能效热机的设计产生深远的影响。
这一工作以编辑推荐的形式发表在《物理学评论快报》上。渡边元太郎是本文的第一和通信作者。这一论文也被美国物理学会《物理概要》专题介绍。

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科学解读

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热机是指能够将热能转化为功的机械。随着科学技术的发展,热机的尺寸不断减小,目前已经可以达到纳米尺度。热机在原子物理、量子光学和量子热力学等领域中都有广泛的应用,在这一原子尺度上,量子力学将会导致许多神奇的现象发生,例如量子纠缠和量子隐形传输,这些都是宏观世界中所没有的。如今,这些量子方面的优势正在通信和计算机工程领域引发一场量子信息的革命,但在能源和机械工程领域,服从量子力学规律的热机目前为止并没有展现出其超越经典热机能效的量子优越性。
  渡边元太郎和他的合作者[1]对这个问题进行了挑战。他们模拟了和热源耦合的一个量子二能级系统,在工作过程中利用环境的热能做功。这个模型相当于一个纳米尺度的发动机,在未来人们可以用它来驱动一台量子计算机或其它纳米机械。他们的研究指出,由于热机工作环境的量子相干效应,量子热机在多次循环中的平均功率可以远远超出单次循环的功率。具体来说,该研究发现,通过一定的优化设计,在该量子热机模型经过10次循环过程之后,他们所得到的总功不是单次循环做功的10倍而是25倍。这就好比在微观世界中,通过优化控制可以使一台10马力的量子发动机产出25马力的功率。这个发现表明,我们必须对纳米器件的量子热力学分析进行重大修正,摒弃以往所研究的与外界环境没有耦合的孤立热机模型,发展与外界有耦合的热机模型。这一成果将对纳米尺度高能效热机的设计产生深远的影响。
  这一工作以编辑推荐的形式发表在《物理学评论快报》上,渡边元太郎是本文的第一和通信作者。该论文还被美国物理学会的《物理概要》专题介绍[2]。
  渡边元太郎目前从事的是超冷原子和量子热力学[1]、非平衡统计物理学[3]以及原子核天体物理[4]的交叉方面的研究工作。他最近的另一个重要贡献是通过类比冷原子气体来理解中子星物质[4]。

[1] G. Watanabe, B. P. Venkatesh, P. Talkner, and A. del Campo: "Quantum Performance of Thermal Machines over Many Cycles", Phys. Rev. Lett. 118, 050601 (2017). [Editors' Suggestion]
[2] "Number of Cycles Matters for a Quantum Engine", APS Physics Synopsis by Ana Lopes.
[3] S. Yoon and G. Watanabe: "Pairing Dynamics of Polar States in a Quenched p-Wave Superfluid Fermi Gas", Phys. Rev. Lett. 119, 100401 (2017).
[4] G. Watanabe and C. J. Pethick: "Superfluid Density of Neutrons in the Inner Crust of Neutron Stars: New Life for Pulsar Glitch Models", Phys. Rev. Lett. 119, 062701 (2017).
 

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项目团队

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项目负责人(渡边元太郎[Gentaro Watanabe])正在进行冷原子和量子热力学[14],非平衡统计物理[15]以及核天体物理[16]的交叉学科方面的研究工作。在关于量子热机的研究项目中,他在整个研究过程中都做出了重要的贡献,包括提出问题,解决问题以及撰写论文。而且项目负责人是该项目代表性论文[13]的第一作者和通讯作者。
除了本项目研究成果之外,最近,项目负责人还为了解与冷原子气体相似的中子星的内部物质做出了另一项重要贡献[16]。
[14] G. Watanabe, B. P. Venkatesh, P. Talkner, and A. del Campo, "Quantum Performance of Thermal Machines over Many Cycles", Phys. Rev. Lett. 118, 050601 (2017). [Editors' Suggestion]
[15] S. Yoon and G. Watanabe, "Pairing Dynamics of Polar States in a Quenched p-Wave Superfluid Fermi Gas", Phys. Rev. Lett. 119, 100401 (2017).
[16] G. Watanabe and C. J. Pethick, "Superfluid Density of Neutrons in the Inner Crust of Neutron Stars: New Life for Pulsar Glitch Models", Phys. Rev. Lett. 119, 062701 (2017).
 

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  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-18
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