Принцип работы теплового двигателя лежит в основе множества устройств и известен довольно давно. Теперь физики смогли создать квантовый тепловой двигатель из кремниевого кубита.
Изучение термодинамики на квантовом уровне открывает интригующие возможности. Например, с помощью этой технологии можно создать квантовые тепловые двигатели, которые будут эффективнее классических. Однако все исследования этой проблемы до сих пор были лишь теоретическими. Одна из проблем заключается в том, что создаваемые сегодня кремниевые кубиты «горячие», то есть работают при температуре в несколько кельвинов. Из-за таких «высоких» температур квантовые системы сложнее контролировать и описывать.
Авторы нового исследования, в журнале Physical Review Letters, исследовали туннельный полевой транзистор на основе кремния с введенными в него примесями. Под действием электрического напряжения источника тока примеси в материале начинают перемещаться между поверхностью и внутренней частью. В результате возникает система с двумя энергетическими уровнями.
Ученые смогли управлять устройством, изменяя напряжение затвора и по-разному заполняя тем самым оба энергетических уровня. Исследователи также научились регулировать зазор между энергетическими уровнями, модулируя частоту и амплитуду магнитных полей. В результате систему можно было циклично приводить в возбужденное состояние или в основное. Это поведение обычно свойственно классическим тепловым двигателям.
Но есть и некоторые различия между работой нового квантового устройства и классического теплового двигателя. В частности, в квантовой версии системы отсутствуют области с разной температурой. Их роль выполняют контакты с высоким и низким напряжением, к которым подключен кубит. По словам ученых, на макроскопическом уровне такое устройство вряд ли было бы полезным, но квантовый тепловой двигатель мог бы стать основой, например, лазеров нового поколения.