Как стало известно редакции новостного сайта, группа исследователей Базельского университета во главе с профессором Патриком Поттсом представила теоретическую платформу, призванную согласовать термодинамику и квантовую физику в ситуациях, где граница между полезной работой и теплом становится размытой. Ученым удалось описать энергетические превращения в системах, состоящих из атома и частиц света, с единых позиций.
Термодинамика, родившаяся в XIX веке для изучения массивных механизмов наподобие паровых двигателей, и квантовая механика, сформировавшаяся в начале XX столетия при анализе атомных явлений, долгое время не пересекались. Однако современные микроскопические устройства, собранные из единичных атомов и фотонов, способны воспринимать энергию, видоизменять ее и испускать, фактически функционируя как наномасштабные квантовые моторы. Это заставило физиков искать общий язык для обеих дисциплин.
Принципиальная трудность состоит в создании описания, которое сохраняет силу и при полном квантовомеханическом рассмотрении всей системы, и в квазиклассическом пределе — когда одна часть системы (к примеру, атом) описывается квантовыми законами, а другая (свет) — классической физикой. Именно такой формализм, по словам авторов, изложен в их статье, опубликованной в Physical Review Letters.
Световой двигатель в оптической полости
В качестве модельного примера взята схема, в которой атом располагается между двумя зеркалами, образующими резонатор, и взаимодействует с фотонами. Лазерная накачка непрерывно подает в полость дополнительные световые кванты, в то время как часть излучения уходит наружу сквозь полупрозрачные зеркала. Постдок Марсело Янович поясняет: это хрестоматийный случай управляемо-диссипативной системы — она находится в постоянном притоке энергии и одновременно рассеивает ее в окружение. В такой конфигурации атом уподобляется миниатюрному тепловому двигателю, который корректнее называть «световым мотором».
Еще в предыдущих работах коллектива Поттса было продемонстрировано, что фотоны, вылетающие из резонатора, не стоит автоматически относить к «отходящему теплу». Определенная доля энергии этого излучения при благоприятных условиях способна совершать полезную работу в иной квантовой системе. Свежее исследование нацелено на то, каким образом различие между теплом и полезной работой модифицируется при переходе в полуклассический предел.
В квазиклассическом приближении атом внутри полости рассматривают как квантовый объект с набором дискретных энергетических уровней, тогда как свет трактуют как классическую электромагнитную волну, игнорируя его квантовые свойства. «Классическое описание света радикально сужает множество вариантов того, какую энергию допустимо извлечь в виде работы, а что приходится считать неупорядоченным теплом», — замечает Янович. Чтобы весь формализм был последовательным, такое классическое поведение обязано выводиться из полного квантово-термодинамического описания.
Исследователи математически доказали, что их подход обеспечивает это естественным образом: если часть уходящего света классифицируется как полезная работа, то теория гладко переходит в квазиклассический предел. Традиционная же методика, приравнивающая всю уносимую из полости энергию к теплу, такого непротиворечивого перехода не дает.
Кроме того, расчеты корректно воспроизводят подавление квантовых флуктуаций в потоке испускаемых фотонов — волнение, неизбежно сопровождающее свет в квантовом режиме. Ослабление этих колебаний представляет особую ценность для квантовых технологий. Тепловые шумы обычно мешают стабильной работе квантовых схем, однако при подходящих условиях они могут превратиться в их ключевой ресурс.
p>
Например, этот эффект может создать режим состояния света, который будет полезен для особо точных измерений в квантовой метрологии. Результаты показывают, что лучшее понимание границы между теплом и полезной деятельностью может помочь исследователям энергии, которая в противном случае может показаться потерянной.