Eine Quanten-Wärmekraftmaschine als leistungsfähiger Minimotor

Klassische Motoren wandeln eine Energie­form wie Wärme in mechanische Arbeit um. Lassen sich diese Gesetz­mäßig­keiten auch auf eine Miniatur­maschine über­tragen, die nur aus einem einzelnen Caesium-Atom besteht und damit effi­zienter arbeiten könnte? Ein Forscher­team der TU Kaisers­lautern unter Leitung von Artur Widera hat jetzt den Beweis erbracht. Zudem konnten die Wissen­schaftler mithilfe eines Tricks aus der Quanten­werkzeug­kiste die Maschine trotz der in der Quanten­welt allgegen­wärtigen Fluktua­tionen stabil betreiben.

Wie lässt sich eine Quanten-Wärme­maschine über­haupt bauen? Dafür wählten die Forscher einen speziellen Versuchs­aufbau: Als Medium dient ein Gas aus Rubidium-Atomen, welches – um thermische Fluktua­tionen auszu­schließen – bis fast an den absoluten Null­punkt abgekühlt wird. Der Treibstoff im System ist der Spin der Rubidium-Atome. Die Miniatur­maschinen bestehen aus einzelnen Caesium-Atomen, der notwendige Wärme­austausch erfolgt beim Zusammen­stoßen von Cäsium- und Rubidium-Atomen.

„Der Spin kann in zwei Richtungen, aufwärts oder abwärts, erfolgen, was in unserem System heiß und kalt und damit den Wärme­unter­schied repräsentiert“, erklärt Team-Mitglied Jens Netters­heim. „Wenn Spin-Austausch­stöße statt­finden, kippen die Dreh­bewegungen des stoßenden Caesium und Rubidium-Atoms in die jeweils andere Richtung. Bei den ultra­kalten Temperaturen können wir die Richtung der Spin-Änderung in einzelnen Stößen kontrol­lieren. Die Bewegung des Kolbens, der die Energie umwandelt, haben wir im System ersetzt durch ein sich änderndes Magnetfeld.“ Mit Hilfe dieser Analogien zu Wärme­austausch und Kolben­bewegung ist es den Forschern gelungen, einen Otto-Kreis­prozess in der Quanten­welt zu realisieren.

Dabei hat das Team eine bislang als unumstöß­lich geltende Heraus­forderung über­wunden. „Die Zustände von Quanten­teilchen lassen sich im Allgemeinen nicht eindeutig bestimmen“, erklärt Widera. „Sprich, wir können diese zwar messen, aber nie sicher das Mess­ergebnis einer einzelnen Messung vorher­sagen. Ich kann lediglich fest­stellen, mit welcher Wahr­schein­lich­keit die beobachteten Eigen­schaften auftreten.“ Diese Fluktua­tionen der Mess­ergebnisse haben bislang dazu geführt, dass die Wissen­schaft angezweifelt hat, dass eine Quanten-Wärme­kraft­maschine eine konstante Leistung mit hoher Effizienz überhaupt liefern kann. „Ich möchte grund­sätz­lich ausschließen, dass ein Motor unkontrol­lierbar zwischen verschiedenen Leistungs­stufen hin und her fluktuiert“, so Widera.

Während der Spin-Austausch­stöße traten diese Fluktua­tionen ebenso auf. Doch „mit der Zeit sättigt der Spin der Caesium-Atome“, sagt Widera. „Sie verharren nach einer gewissen Zeit in einem Zustand, Fluktua­tionen sind somit kontrol­lierbar. Verglichen mit klassischen thermischen Maschine erreichen die Atome dabei einen höheren Anregungs­zustand. Genau das ist der Schlüssel, um eine Quanten-Wärme­kraft­maschine effizient betreiben zu können. Zusätzlich zum Vorteil der unter­drückten Fluktua­tionen können die Quanten­maschinen durch diesen Quanten­trick in einem Umlauf sogar mehr Energie umsetzen, als es thermo­dynamisch mit heißen und kalten Bädern möglich ist.“

Die von den Forschern entwickelte Quanten-Wärme­kraft­maschine läuft verlässlich und entfaltet zugleich eine konstant hohe Leistung und das bei sehr hoher Effizienz. Damit ist es Wideras Arbeits­gruppe gelungen, die Thermo­dynamik erfolg­reich im Experiment mit der Quantenwelt zusammen­zu­bringen und die Tür zur Anwendung der Quanten­thermo­dynamik weiter aufzustoßen.

TU Kaiserslautern / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Q. Bouton et al.: A quantum heat engine driven by atomic collisions, Nat. Commun. 12, 2063 (2021), DOI: 10.1038/s41467-021-22222-z
• Individual Quantum Systems (A. Widera), FB Physik, Technische Universität Kaiserslautern

Weitere Beiträge

• M. Lewenstein und A. Sanpera Trigueros, Temperaturmessung auf Quantenniveau, Physik Journal, April 2020, S. 20 PDF
• Cäsiumatom als Thermometer (pro-physik.de Nachrichten, 5. Februar 2020)