Työ ja lämpö kvanttijärjestelmissä

Termodynamiikan lait ovat yleisesti ottaen päteviä, mutta yritettäessä soveltaa niitä pienimpiin kvanttijärjestelmiin törmätään nopeasti vaikeuksiin.

Baselin yliopiston tutkijaryhmä, jota johtaa professori Patrick Potts, on nyt löytänyt uuden tavan määritellä termodynaamiset suureet johdonmukaisesti tietyille kvanttijärjestelmille.

Heidän tuloksensa julkaistiin äskettäin tieteellisessä julkaisussa Physical Review Letters.

”Kvanttijärjestelmien termodynaamisen kuvauksen ongelmana on se, että tällaisissa järjestelmissä kaikki on mikroskooppista. Tämä tarkoittaa, että työn, joka on hyödyllistä makroskooppista energiaa, ja lämmön eli epäjärjestyneen mikroskooppisen liikkeen välinen ero ei ole enää suoraviivainen”, tohtoriopiskelija Aaron Daniel selittää.

Esimerkkinä Daniel ja hänen kollegansa tarkastelivat lähemmin niin sanottuja onteloresonaattoreita, joissa tuleva lasersäde heijastuu edestakaisin kahden peilin välillä ja lopulta osittain poistuu ontelosta.

Toisin kuin tavallisen hehkulampun tai ledin valo, laservalossa kaikki sen sähkömagneettiset aallot värähtelevät täsmälleen samassa tahdissa. Jos laservalo kuitenkin kulkee atomeilla täytetyn ontelon läpi, tämä tahdistus – jota kutsutaan myös koherenssiksi – voi häiriintyä enemmän tai vähemmän.

Tässä tapauksessa valosta tulee osittain tai kokonaan ei-koherenttia (mikä vastaa hiukkasten epäjärjestäytynyttä liikettä). ”Valon koherenssi tällaisessa laserontelojärjestelmässä oli laskelmiemme lähtökohta”, sanoo projektiin osallistunut kandidaattiopiskelija Max Schrauwen.

Tutkijat määrittelivät ensin, mitä he tarkoittavat "työllä" laservalon yhteydessä: esimerkiksi kyky ladata kvanttiakkua. Tämä vaatii koherenttia valoa, joka voi kollektiivisesti viedä joukon atomeja virittyneeseen tilaan. Yksinkertaisuuden vuoksi voitaisiin nyt olettaa, että onteloon tuleva koherentti laservalo pystyy tekemään työtä, kun taas ontelosta poistuva osittain inkoherentti laservalo ei pysty. Tässä näkemyksessä ontelosta poistuvaa valoa tulisi kutsua "lämmöksi".

Kuitenkin jopa osittain ei-koherentti valo voi periaatteessa tehdä jonkin verran hyödyllistä työtä – vain vähemmän kuin täysin koherentti valo.

Daniel ja hänen kollegansa tutkivat, mitä tapahtuu, kun lähtevän valon koherenttia osaa pidetään työnä ja vain ei-koherenttia osaa käsitellään lämpönä. Tulos: jos työ määritellään tällä tavalla, molemmat termodynamiikan lait täyttyvät ja siksi lähestymistapa on johdonmukainen.

”Tulevaisuudessa voimme käyttää formalismiamme tarkastellaksemme hienovaraisempia ongelmia kvanttitermodynamiikassa”, Daniel sanoo. Tämä on merkityksellistä esimerkiksi kvanttiteknologioiden sovelluksissa, kuten kvanttiverkoissa. Lisäksi siirtymistä makroskooppisten järjestelmien klassisesta käyttäytymisestä kvanttikäyttäytymiseen voidaan tutkia tällä tavalla entistä paremmin.

Aiheesta aiemmin:

Energiankeräimet ylittävät Carnot'n hyötysuhteen

Lomittumisakku tehostaa kvanttipalautuvuutta

Ylikuumentunut kulta selviää entropiakatastrofista