Stuttgart Üniversitesi’ndeki iki fizikçi, termodinamiğin merkezi yasası olan Carnot ilkesinin, fiziksel özellikleri bağlantılı olan atomik ölçekteki nesneler (sözde ilişkili nesneler) için geçerli olmadığını kanıtladı. Bu keşif, örneğin küçük, enerji tasarruflu kuantum motorların geliştirilmesini ilerletebilir. Çıkarım dergide yayımlandı Bilim Gelişmeleri.
İçten yanmalı motorlar ve buhar türbinleri termal motorlardır: Termal enerjiyi mekanik harekete, başka bir deyişle ısıyı harekete dönüştürürler. Son yıllarda kuantum mekaniksel deneyler, ısı motorlarının boyutunu mikroskobik aralığa indirmeyi başardı.
Stuttgart Üniversitesi Teorik Fizik Enstitüsü’nden Profesör Eric Lutz, “Tek bir atomdan daha büyük olmayan küçük motorlar gelecekte gerçeğe dönüşebilir” diyor. “Artık bu motorların daha büyük ısı motorlarından daha yüksek bir maksimum verime ulaşabileceği de açık.”
Teorik Fizik Enstitüsü I’de doktora sonrası araştırmacı olan Profesör Lutz ve Dr. Milton Aguilar, makalelerinde bunun arkasındaki nedenleri açıklıyorlar. Bu röportajda iki bilim adamı keşiflerini özetliyor.
Tam olarak ne keşfettin?
Bundan neredeyse tam 200 yıl önce Fransız fizikçi Sadi Carnot, ısı motorlarının maksimum verimliliğini belirledi. Termodinamiğin ikinci yasası olan Carnot ilkesi büyük, makroskobik nesneler için geliştirilmiştir. Bu, örneğin buhar türbinleri için geçerlidir. Ancak artık Carnot ilkesinin atom ölçeğindeki nesneleri (örneğin güçlü korelasyona sahip moleküler motorları) tanımlayacak şekilde genişletilmesi gerektiğini kanıtlayabildik.
Nedenmiş?
Carnot, sıcaklık farkının belirleyici bir etkiye sahip olduğunu gösterdi: Sıcak ve soğuk arasındaki fark ne kadar büyük olursa, bir ısı motorunun mümkün olan maksimum verimliliği de o kadar yüksek olur. Ancak Carnot ilkesi kuantum bağıntılarının etkisini ihmal eder. Bunlar parçacıklar arasında çok küçük ölçekte oluşan özel bağlardır.
İlk kez, bu korelasyonları tam olarak açıklayan genelleştirilmiş termodinamik yasalarını türettik. Sonuçlarımız atomik ölçekte çalışan termal makinelerin sadece ısıyı değil aynı zamanda korelasyonları da işe dönüştürebildiğini gösteriyor. Sonuç olarak daha fazla iş üretebilirler ve kuantum motorunun verimliliği geleneksel Carnot sınırını aşabilir.
Temel araştırmanız hangi olasılıkları açıyor?
Çalışmalarımız dünya hakkındaki bilgimizi atom düzeyinde derinleştiriyor. Bu boyutlarda geçerli olan fiziksel yasaları ne kadar iyi anlarsak, bunları yarının teknolojilerini geliştirmek için o kadar çabuk kullanabiliriz – örneğin nano ölçekte görevleri tam olarak yerine getirebilen küçük, yüksek verimli kuantum motorlar gibi. Belki bir gün bu tür motorlar tıbbi nanobotlara veya malzemeleri atomik seviyede işleyen kontrol makinelerine güç verecek? Potansiyel çok çeşitlidir.
