27.08.2019

Fluktuierender Energietransfer im Mikrokosmos

Wärmekraftmaschinen in der Quantenwelt können erzeugte Energie nur teilweise nutzen.

Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in nutzbare Arbeit um, zum Beispiel zum Antrieb eines Fahrzeuges. Versucht man jedoch solche Maschinen auf mikroskopische oder sogar atomare Skalen zu verkleinern, gelten andere Gesetzmäßigkeiten: Hier treten Fluktuationen auf, das heißt der Betrieb einer solchen Maschine ist nicht gleichmäßig und einem gewissen Maß an Zufall unterworfen.

Abb.: Einzel-Ionen Wärmekraftmaschine: Der Spin eines Leuchtelektrons (grüner...
Abb.: Einzel-Ionen Wärmekraftmaschine: Der Spin eines Leuchtelektrons (grüner Pfeil) wird von Lasern abwechselnd erwärmt und gekühlt. Die dabei fließende Wärme wird in einem „Schwungrad“ gespeichert, das durch die Bewegung des Ions gegeben ist. (Bild: Quantum, JGU)

Mainzer Forscher um Ulrich Poschinger und Ferdinand Schmidt-Kaler haben ein experimentelles Szenario durchgespielt, in dem dieser Sachverhalt klar zutage tritt. Ein einzelnes gefangenes atomares Ion fungiert als Wärme­kraftmaschine, indem es mit Laserstrahlung abwechselnd gekühlt und aufgeheizt wird. Die dabei gewonnene Energie wird in Schwingungen dieses Ions übersetzt und gespeichert. Nach einigen Operationszyklen wird der physikalische Zustand dieser Schwingungen vollständig rekonstruiert. 

Die Analyse der experimentellen Daten, in Zusammenarbeit mit den theoretischen Physikern Mark Mitchison und John Goold vom Trinity College Dublin, zeigen, dass nur ein Teil der gewonnenen Energie sinnvoll weiterverwendet werden könnte, der andere Teil manifestiert sich in zufälligen thermischen Bewegungen des Ions. 

Diese Ergebnisse sind ein Mainzer Beitrag im Rahmen der Forschergruppe 2724 „Thermische Maschinen in der Quantenwelt“ und wurden als Highlight im aktuellen Band des internationalen Journals Physical Review Letters publiziert. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Basis zum Verständnis von Energie­transfer­prozessen in mikroskopischen Systemen und ebnen den Weg zu weiterführenden Studien, die den Einfluss der Quantenphysik auf solche Systeme und Prozesse zeigen sollen.

JGU / DE
 

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