Výskumný tím vyvinul úplne nový druh motora. Namiesto palív alebo elektriny sa spoliehajú na kvantovomechanický jav.
Pri premene fermiónov na bozóny sa uvoľňuje energia, ktorú možno využiť na pohon kvantového motora – zatiaľ len teoreticky. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Tím pod vedením fyzičky Jennifer Kochovej z Technickej univerzity Kaiserslautern-Landau (Technische Universität Kaiserslautern-Landau) v Porýní-Falcku vyvinul úplne nový typ motora. Kvantovomechanický pohon vedci predstavili v článku uverejnenom v časopise Nature. Takýto kvantový motor by nebol odkázaný na zapaľovanie paliva, ale premena energie by sa opierala o kvantovomechanický jav súvisiaci so základnými vlastnosťami elementárnych častíc.
Pauliho vylučovací princíp
Základom pohonu je možnosť všetky známe častice rozdeliť do dvoch tried. Elementárne častice patria buď medzi tzv. fermióny, z ktorých sa skladá hmota, ako sú elektróny alebo kvarky, alebo medzi bozóny, častice prenášajúce sily, ako sú fotóny (prenášajú elektromagnetickú silu) alebo gluóny (prenášajú silnú jadrovú energiu). Tieto dve triedy častíc sa od seba výrazne líšia: kým bozóny sa rady zhlukujú a spoločne zaujímajú najnižší energetický stav, fermióny sa navzájom vyhýbajú. Napríklad dva rovnaké fermióny nesmú obsadiť ten istý kvantový stav. Tejto okolnosti, známej ako Pauliho vylučovací princíp, vďačíme za štruktúru hmoty. Pre Pauliho vylučovací princíp sa elektróny v atómoch usporadúvajú do „škrupín“ s rôznymi energetickými hladinami.
Zmena fermiónov na bozóny
Kochová a jej kolegovia využili pre svoju prácu rozhodujúcu vlastnosť týchto dvoch časticových rodín. Ak navzájom spojíte dva fermióny, napríklad dva elektróny, bude sa dvojica častíc správať ako bozón. Plán odborníkov spočíval v snahe ochladiť systém fermiónov natoľko, aby nadobudli čo najnižší možný energetický stav.
Keďže však jednotlivé fermióny nesmú mať z dôvodu Pauliho vylučovacieho princípu exaktne rovnaký stav, vytvoria akúsi vežu. Jedna častica nadobudne najnižší energetický stav, druhá nasledujúci vyšší stav a tak to postupuje ďalej.
Tým, že vedci následne častice pospájali do párov, zmenili sa fermióny na bozóny, čiže všetky dvojice častíc spoločne obsadili stav s najnižšou energiou, pretože Pauliho vylučovací princíp už pre ne neplatí. Pri tomto prechode sa uvoľňuje energia, ktorú možno využiť na pohon kvantového motora.
Vedecký tím: Artur Widera (vpravo) s Jennifer Kochová (prvá autorka štúdie, vľavo) a Sian Barbosa (uprostred), obaja z výskumnej skupiny profesora Wideru, a Dr. Eloisa Cuestasová (spoluautorka z Okinavy, vpredu). Zdroj: RPTU, Foto: Koziel
Teplota blízka absolútnej nule
Kochovej výskumný tím už tento nápad testoval v laboratóriu. Za týmto účelom ochladili pomocou magnetov a laserov atómy lítia, ktoré patria do triedy fermiónov, na teplotu tesne dosahujúcu absolútnu nulu, teda mínus 273,15 stupňa Celzia. Mrak atómov má vtedy energiu, ktorá je úmerná štvorcu počtu častíc.
Spojením atómov vhodným magnetickým poľom odborníci vytvorili páry častíc, ktoré sa správali ako bozóny. Ich energia je však úmerná len počtu častíc, nie štvorcu – a teda oveľa menšia. Odborníci tiež dokázali vhodným nastavením magnetického poľa zvrátiť prechod z fermiónov na bozóny. „Celková energia fermiónového súboru je vyššia,“ vysvetľuje Kochová.
„Vytvorili sme kvantovomechanickú alternatívu k zapaľovaniu paliva, ktorá môže slúžiť na pohon nášho kvantového motora.“ fyzička Jennifer Kochová
Kruhový proces kvantového stroja funguje pritom nasledovne. Začneme s mrakom atómov v bozónovom stave s nízkou energiou a vhodným nastavením laserov stlačíme atómy k sebe. Potom sa častice premenia na fermióny, čím sa zvýši energetická hladina systému. Mrak častíc sa potom opäť rozšíri a atómy lítia sa spoja do dvojíc a vytvoria bozóny, čím sa vrátia do počiatočného stavu. Vedcom sa tak podarilo dosiahnuť celkovú účinnosť 25 percent.
Pozrite si
Zatiaľ len v experimentálnej rovine
Uvedeným spôsobom sa im podarilo dokázať, že kvantovomechanický pohon by mohol fungovať aspoň teoreticky. „V súčasnosti sme ešte ďaleko od konkrétnej aplikácie, pretože náš vývoj funguje len za špeciálnych experimentálnych podmienok,” povedal fyzik Artur Widera, spoluautor súčasnej práce. Napriek tomu neskrýval optimizmus: „V porovnaní so štandardným strojom mal náš motor dobrý výkon. A čím viac častíc súbory obsahujú, tým vyššie energetické hladiny, a teda aj energetické výťažky, môžeme dosiahnuť.”
Zdroj: Spektrum.de
(zh)
