Атом, заключённый в полость между двумя зеркалами (слева), ведёт себя как тепловой двигатель в управляемо-диссипативной квантовой системе, где энергия непрерывно подкачивается извне и столь же непрерывно рассеивается в окружающей среде. Колебания выходящего света (в центре) становятся менее выраженными (справа), если квантовомеханическое описание применяется только к атому, тогда как свет остаётся вне такого учёта. Фото: Энрике Саагун, Сиксель/Базельский университет, факультет физики.
Что считать теплом, а что полезной работой, когда механизм состоит из одного-единственного атома и частиц света? Этот вопрос, как сообщает наш новостной сайт, находится в центре внимания исследователей Базельского университета в Швейцарии. Научная группа под руководством профессора Патрика Поттса обнародовала теоретическую основу, позволяющую рассматривать термодинамику и квантовую физику в едином ключе, не жертвуя строгостью описания. Свои выводы физики представили в журнале Physical Review Letters.
Исторически термодинамика — порождение XIX века — занималась крупногабаритными устройствами вроде паровых двигателей, которые преобразуют и передают энергию. Квантовая физика, оформившаяся в начале XX столетия, сосредоточилась на атомах и субатомных частицах. Сегодня эти дисциплины всё чаще пересекаются: миниатюрные системы, собранные из атомов и фотонов, способны накапливать, трансформировать и высвобождать энергию, функционируя как микроскопические квантовые машины. Ключевая трудность заключается в поиске такого описания, которое оставалось бы справедливым и при полностью квантовом подходе ко всей системе, и в квазиклассическом пределе — особом случае, когда одна часть системы трактуется квантово, а для другой достаточно классической физики.
Крошечный квантовый световой двигатель. В качестве модельной установки выбрана полость, в которой атом размещён между двумя зеркалами. Лазерная цепь нагнетает в резонатор дополнительные фотоны, в то время как сквозь частично отражающие зеркала часть света безвозвратно уходит наружу. Это хрестоматийный пример управляемо-диссипативной системы, непрерывно получающей энергию и столь же непрерывно отдающей её в окружающую среду. В такой конфигурации атом действует наподобие миниатюрного теплового двигателя — или, если быть точным, «светового двигателя».
Отделение полезной энергии от тепла. Ранее коллектив Поттса уже демонстрировал, что фотоны, покидающие полость, не следует автоматически рассматривать как «отходящее тепло». Часть энергии, уносимой излучением, вполне способна совершать полезную работу в другой квантовой системе. Однако открытым оставался вопрос о том, как меняется граница между теплом и работой при переходе к полуклассическому описанию.
В поисках непротиворечивого полуклассического предела
В квазиклассическом пределе атом внутри полости рассматривается как квантовая система с дискретными энергетическими уровнями, тогда как свет описывается классической электромагнитной волной, лишённой квантовых особенностей. Такая классическая трактовка излучения, подчёркивает постдок Марсело Янович, существенно ограничивает определение того, какая доля энергии может быть использована для совершения работы, а какая представляет собой неупорядоченное тепло. Чтобы теоретическое построение было логически безупречным, это классическое предельное поведение должно естественным образом вытекать из полного квантово-термодинамического формализма.
Яновичу и его соавторам удалось математически доказать, что предложенный подход удовлетворяет этому требованию. Когда часть испущенного света классифицируется как полезная работа, теория плавно переходит в квазиклассический предел. Традиционная методология, напротив, приводит к иному результату: если всю энергию, покидающую полость, считать теплом, то подобного последовательного перехода не возникает.
Квантовые флуктуации становятся ресурсом. Дополнительно выяснилось, что выполненные расчёты корректно воспроизводят ослабление колебаний в потоке излучаемых световых частиц под воздействием квантовых эффектов. Эти сжатые флуктуации могут оказаться крайне ценными для квантовых технологий: обычно тепловые возмущения затрудняют контроль над квантовыми цепями, однако при подходящих условиях тепло способно превратиться в важнейший 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.