Krediet: Shutterstock
De theorie van de thermodynamica, die gewoonlijk wordt geassocieerd met de stoommachines van de 19e eeuw, is een universele reeks wetten die alles regelt, van zwarte gaten tot de evolutie van het leven. Maar met moderne technologieën die circuits miniaturiseren tot atomaire schaal, moet de thermodynamica op de proef worden gesteld in een geheel nieuw rijk. In dit rijk zijn kwantumwetten van toepassing in plaats van klassieke wetten. Op dezelfde manier waarop thermodynamica de sleutel was bij het bouwen van klassieke stoommachines, dwingt de opkomst van kwantumcircuits ons om deze theorie opnieuw uit te vinden in het kwantumgeval.
Kwantum thermodynamica is een snel voortschrijdend veld van de fysica, maar de theoretische ontwikkeling loopt ver vooruit op experimentele implementaties. Snelle doorbraken in de fabricage en meting van apparaten op nanoschaal bieden ons nu de mogelijkheid om deze nieuwe fysica in het laboratorium te verkennen.
Hoewel experimenten nu binnen handbereik zijn, blijven ze buitengewoon uitdagend vanwege de verfijning van de apparaten die nodig zijn om de werking van een warmtemotor na te bootsen, en vanwege de vereiste controle en meetgevoeligheid op hoog niveau. Dr. Ares ‘groep zal apparaten vervaardigen op nanometerschalen, slechts een dozijn atomen in doorsnee, en ze op temperaturen houden die veel kouder zijn dan zelfs de diepste ruimte.
Deze motoren op nanoschaal zullen toegang geven tot voorheen ontoegankelijke tests van de kwantumthermodynamica en ze zullen een platform zijn om de efficiëntie en kracht van kwantummotoren te bestuderen, waardoor de weg wordt geëffend voor kwantum-nanomachines. Dr. Ares ‘zal motoren bouwen waarin de “stoom” bestaat uit een of twee elektronen, en de zuiger is een klein halfgeleiderdraadje in de vorm van een koolstofnanobuisje. Ze verwacht dat het verkennen van dit nieuwe terrein een even grote fundamentele impact zal hebben op hoe we denken over machines als eerdere studies in het klassieke regime.
De belangrijkste vraag die dr. Natalia Ares ‘onlangs bekroonde European Research Council (ERC-project) wil beantwoorden, is: wat is de efficiëntie van een motor waarin fluctuaties belangrijk zijn en er kunnen kwantumeffecten optreden? De implicaties van het beantwoorden van deze vraag zijn zeer uiteenlopend en zouden bijvoorbeeld de studie van biomotoren of het ontwerp van efficiënte on-chip nanomachines kunnen beïnvloeden. Dit onderzoek zou ook unieke gedragingen aan het licht kunnen brengen die de weg openen voor nieuwe technologieën, zoals nieuwe on-chip koel- en detectietechnieken of innovatieve manieren om energie te oogsten en op te slaan. Door fluctuaties te benutten, kunnen de vereisten om kwantumgedrag te behouden minder veeleisend worden.
De bevindingen van Dr. Ares zullen toepassingen hebben in zowel klassieke als kwantumcomputers. Op dezelfde manier waarop het experiment van Joule aantoonde dat beweging en warmte onderling uitwisselbaar waren, beoogt Dr. Ares de beweging van een koolstofnanobuisje te koppelen aan de warmte en het werk geproduceerd door enkele elektronen. Ze is verheugd apparaten met unieke mogelijkheden te exploiteren om de bijzonderheden van de kwantumthermodynamica te ontdekken.
Geleverd door University of Oxford
