Сколько бы энергии он ни получал, этот газ не нагревается.

Энергия

Редакция сайта «Технологические инновации» — 21 августа 2025 г.

Несмотря на постоянное движение и интенсивное взаимодействие, атомы больше не поглощают энергию. Система находится в импульсном пространстве, и распределение импульса буквально застывает. [Изображение: Университет Инсбрука]

Получение энергии без нагрева

Выполнение работы в системе обычно приводит к её нагреванию. Представьте, например, что вы трете руки друг о друга или ударяете молотком по гвоздю — и руки, и гвоздь нагреваются.

Но когда мы приближаем термодинамику к пределам систем, работающих по законам квантовой механики , все становится не столь интуитивным.

Когда ученые впервые начали работать с микроскопическими системами, поскольку они непрерывно снабжали энергией систему из множества частиц, особенно систему с сильным взаимодействием между частицами, ожидалось, что система будет поглощать энергию и нагреваться.

Однако Янлян Го и его коллеги из Университета Инсбрука в Австрии только что продемонстрировали, что этого не произойдет — или, по крайней мере, произойдет не во всех случаях.

Используя лазер для передачи энергии атомам жидкости, уменьшенной до одномерного масштаба (квантовой жидкости) и охлажденной до температуры, очень близкой к абсолютному нулю, исследователи увидели, что после короткого периода ожидаемой эволюции нагрева распределение импульса атомов перестало расширяться, а кинетическая энергия системы достигла плато.

«Сначала мы ожидали, что атомы начнут летать. Вместо этого они вели себя на удивление упорядоченно», — сказал Го.

Это открытие имеет прямое практическое значение для квантовых вычислений . [Изображение: Яньлян Го и др. - 10.1126/science.adn8625]

Квантовый контроль материи

Несмотря на непрерывную подпитку энергией и интенсивное взаимодействие, система больше не поглощала энергию: она локализовалась в импульсном пространстве, что является интригующим явлением, называемым «динамической локализацией многих тел». В отличие от реального пространства, или «пространства положений», импульсное пространство — это способ описания системы не положением её элементов, а их линейным импульсом. Представьте себе людей в комнате, чьи положения можно отобразить с помощью координат: импульсное пространство системы состоит из отображения количества людей, находящихся на месте или движущихся с определёнными скоростями.

Возвращаясь к своей системе квантовой жидкости, профессор Ханнс-Кристоф Нагерль объясняет: «В этом состоянии квантовая когерентность и многочастичная запутанность не позволяют системе термализоваться и проявлять диффузионное поведение даже при постоянном внешнем воздействии. Распределение импульса, по сути, застывает и сохраняет имеющуюся структуру».

Чтобы проверить устойчивость этого явления, исследователи внесли случайность в последовательность лазерных импульсов. Действительно, небольшого беспорядка оказалось достаточно, чтобы разрушить эффект локализации и восстановить диффузию: распределение импульса стало дисперсионным, кинетическая энергия резко возросла, и система непрерывно поглощала энергию. «Этот тест показал, что квантовая когерентность имеет решающее значение для предотвращения термализации в таких контролируемых многочастичных системах», — сказал Нагерл.

Это открытие выходит за рамки фундаментального интереса к пониманию материи на квантовом уровне. Понимание того, как эти системы избегают термализации, является основополагающим шагом к созданию более совершенных квантовых устройств, включая квантовые симуляторы и компьютеры , в которых нагрев и декогеренция представляют собой серьёзные проблемы, поскольку они приводят к ошибкам и потере данных кубитами.

«Этот эксперимент предоставляет точный и легко настраиваемый способ исследования того, как квантовые системы могут противостоять притяжению хаоса», — говорит Го, добавляя, что результаты открывают новое окно в управление материей на квантовом уровне, что ранее большая часть научного сообщества считала невозможным.

Другие новости о:

Больше тем