Các nhà khoa học tiết lộ những khả năng thú vị để phát triển các thiết bị lượng tử hiệu quả. Cơ học lượng tử là một nhánh của vật lý khám phá các tính chất và tương tác của các hạt ở quy mô cực nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử và phân tử. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của các công nghệ mới mạnh mẽ và hiệu quả hơn các công nghệ truyền thống, dẫn đến những đột phá trong các lĩnh vực như điện toán, truyền thông và năng lượng.
Bước nhảy vọt lượng tử trong thiết kế động cơ
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST), Phòng Hệ thống Lượng tử, phối hợp với các nhà khoa học từ Đại học Kaiserslautern-Landau và Đại học Stuttgart, đã thiết kế và thực hiện chế tạo một động cơ dựa trên những quy luật đặc biệt mà các hạt tuân theo ở quy mô cực nhỏ.
Họ đã phát triển một động cơ sử dụng các nguyên lý cơ học lượng tử để tạo ra năng lượng, thay vì cách đốt nhiên liệu thông thường. Bài báo mô tả những kết quả này được đồng tác giả bởi các nhà nghiên cứu OIST Keerthy Menon, Tiến sĩ Eloisa Cuestas, Tiến sĩ Thomas Fogarty và Giáo sư Thomas Busch, và được công bố trên tạp chí Nature.
So sánh động cơ cổ điển và động cơ lượng tử
Trong động cơ ô tô cổ điển điển hình, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đốt cháy trong một khoang. Nhiệt sinh ra từ vụ nổ làm nóng khí trong khoang, từ đó đẩy piston vào và ra, tạo ra công làm quay bánh xe.
Trong động cơ lượng tử của họ, các nhà nghiên cứu đã thay thế việc sử dụng nhiệt bằng cách thay đổi tính chất lượng tử của các hạt trong khí. Để hiểu sự thay đổi này cung cấp năng lượng cho động cơ như thế nào, chúng ta cần biết rằng tất cả các hạt trong tự nhiên có thể được phân loại thành boson hoặc fermion dựa trên các đặc tính lượng tử đặc biệt của chúng.
Ở nhiệt độ cực thấp nơi hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng, boson có trạng thái năng lượng thấp hơn fermion và sự chênh lệch năng lượng này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ. Thay vì làm nóng và làm mát chất khí theo chu kỳ như động cơ cổ điển, động cơ lượng tử hoạt động bằng cách biến boson thành fermion và ngược lại.
"Để biến fermion thành boson, bạn kết hợp hai fermion thành một phân tử. Phân tử mới này là boson. Sau khi phá vỡ nó, chúng ta có thể lấy lại fermion." Giáo sư Thomas Busch, lãnh đạo Nhóm Hệ thống Lượng tử, giải thích: "Bằng cách thực hiện việc này theo vòng lặp, chúng tôi có thể tạo ra một phân tử mới mà không cần sử dụng nhiệt. Động cơ cung cấp năng lượng." Nhóm nghiên cứu nhận thấy hiệu suất của nó khá cao, có thể lên tới 25% theo cơ cấu thử nghiệm hiện có do các cộng tác viên Đức thiết lập.
Động cơ mới này là một sự phát triển thú vị trong lĩnh vực cơ học lượng tử và có tiềm năng thúc đẩy hơn nữa lĩnh vực công nghệ lượng tử mới nổi. Nhưng điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ sớm thấy cơ học lượng tử cung cấp năng lượng cho động cơ ô tô? Keerthy Menon giải thích: "Mặc dù các hệ thống này rất hiệu quả nhưng chúng tôi mới chỉ thực hiện bằng chứng khái niệm với các cộng tác viên thử nghiệm. Có rất nhiều thách thức để tạo ra một động cơ lượng tử hữu ích."
Nhiệt có thể phá hủy các hiệu ứng lượng tử nếu nhiệt độ quá cao, vì vậy các nhà nghiên cứu phải giữ cho hệ thống càng lạnh càng tốt. Tuy nhiên, việc chạy thí nghiệm ở nhiệt độ thấp như vậy đòi hỏi rất nhiều năng lượng để bảo vệ các trạng thái lượng tử nhạy cảm.
Các bước tiếp theo trong nghiên cứu sẽ liên quan đến việc giải quyết các câu hỏi lý thuyết cơ bản về hoạt động của hệ thống, tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống và nghiên cứu khả năng ứng dụng của nó cho các thiết bị được sử dụng phổ biến khác, chẳng hạn như pin và cảm biến.