”Kuantum Isı Motoru”nun teorik fikri onlarca yıldır varlığını sürdürüyor. İlk olarak yaklaşık altmış yıl önce Bell Labs’tan fizikçiler Scovil ve Schulz-DuBois; üç seviyeli maserler* ve termal makineler arasında bir analoji çizdi.
Takip eden yıllarda, diğer araştırmacılar; Scovil ve Schulz-DuBois’in fikirlerini temel alan ve kuantum ölçeğinde termodinamik döngülerin önerilerini getiren çeşitli teoriler geliştirdiler. Son zamanlarda, fizikçiler; bu teorilerin bazılarını deneysel ortamlarda test etmeye başladılar.
Bu deneylerden biri; Waterloo Üniversitesi, Universidade Federal do ABC ve Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas’ta bir laboratuvar ortamında başarılı bir spin kuantum ısı motoru sergileyen bir araştırma ekibi tarafından gerçekleştirildi. Physics Review Letters’da yayınlanan makaleleri; bir spin-1/2 sistemi ve nükleer manyetik rezonans tekniklerine dayanan bir ısı motorunun uygulanmasını özetlemektedir.
Araştırmacı Roberto Serra: “Kuantum Termodinamik denilen şey şu anda geliştirilme aşamasındadır. Bu ortaya çıkan alan aynı zamanda nano ölçekte, hesaplama, iletişim, sensörler vb. cihazlarla bir tür yeni sanayi devrimi vaat eden kuantum teknolojisindeki gelişmelerle de ilişkilidir.”
Deneylerinde Serra ve meslektaşları; kloroform molekülüne yerleştirilmiş bir nükleer spin’i ve nükleer manyetik rezonans tekniklerini kullanarak prensip kanıtı; kuantum ısı motorunu başarıyla uyguladılar. Araştırmacılar, bir Karbon Frekansı İzotopunun nükleer dönüşünü spesifik olarak bir radyofrekans alanı kullanarak manipüle ediyor. Sonuçta bir Otto döngüsü (yani, en yaygın motorlarda kullanılan termodinamik döngü) manipüle edilmiş oldu.
Araştırmacı Serra: “Olası iki nükleer spin durumu (diyelim ki yukarı ve aşağı) arasındaki enerji farkı, bir pistonlu motor genişlemesine ve sıkıştırılmasına benzer şekilde artırıldı ve azaltıldı. Bazı koşullar altında; moleküldeki nükleer dönüşler radyo dalgalarından ısı çeker ve radyo dalgalarına ısı yayar.”
Enerji dalgalanmaları; Serra ve meslektaşlarının odaklandığı kuantum senaryosunda çok önemli bir rol oynamaktadır. Bununla birlikte, bu dalgalanmaları termodinamik bir döngüde ölçmek; araştırmacıların şaşırtıcı bir şekilde tamamlayabildikleri son derece zor bir görevdir. Maksimum güçte bir kuantum Otto döngüsü gerçekleştirirken, kuantum ısı motorunun, termodinamik sınırına (η =% 44) çok yakın olan η≈42 iş ekstraksiyonu için bir verimlilik elde edebileceğini buldular.
Araştırmacı John Peterson: “Bu deneyde, kuantum ölçeğinde geri dönüşümsüzlüğün yanı sıra iş ve ısıdaki tüm enerji dalgalanmalarını karakterize edebildik. Moleküler makinemizin hızlı çalışması, performansı düşüren ‘kuantum sürtünme’ dediğimiz şeyle ilgili spin enerji durumları arasında geçişler üretir. Bu tür sürtünme aynı zamanda, entropi artışı ile de ilişkilidir. Kuantum sürtünmesini azaltan yavaş çalışma; önemli miktarda güç sağlamaz.Bu nedenle, en iyi senaryo; modern mühendisliğin yaptığı gibi, düşük miktarda kuantum sürtünme veya entropi üretimi ile bir miktar gücü uzlaştırmaktır.”
Serra ve meslektaşları tarafından yapılan çalışma; bir kavram kanıtı spin kuantum ısı motorunu deneysel olarak ilk gösterenlerden biridir. Bu konsept kanıtı ısı motoru nihayetinde kuantum termal makinelerin işleyişini ve potansiyelini araştıran gelecekteki çalışmaları bilgilendirebilir.
Araştırmacı Serra: “Deneyimizde, küçük spin motoru termodinamik sınırına ve maksimum güce yakın bir verimliliğe ulaşıyor, bu da araba motorlarının günümüzde yapabileceklerinden çok daha iyi… Kuantum spin motoru pratikte çok yararlı olmayacaktır çünkü üretilen iş radyo dalgalarına çok az miktarda enerji sağlayacaktır. Sadece başka bir nükleer dönüşü değiştirmek yeterli olacaktır. Ne kadar enerji kullandığını ölçmekle daha çok ilgileniyoruz: Ne kadar ısı yayar ve çalışma sırasında ne kadar entropi üretilir… ”
Gelecek çalışmalarında Serra ve meslektaşları; küçük kuantum termal makinelerin çalışmasını optimize etmenin yollarını belirlemeyi ve gerçek deneylerde etkinliklerini göstermeyi umuyorlar. Bu, sonuçta yeni kuantum bilgisayarlarda uygulanabilecek daha gelişmiş kuantum buzdolaplarının oluşturulmasına yardımcı olabilir.
* Mazer ya da maser, atomların, dışarıdan uyarılması neticesinde dışarıya salınan radyasyon yardımı ile elde edilen, genliği yükseltilmiş elektromanyetik dalga. Mazer, önceleri ilk mazerin mikrodalga frekansında çalışması sebebiyle İngilizce cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiştir.