نوشته دانشگاه بازل، ۲۶ نوامبر ۲۰۲۵۸، نور لیزر از حفرهای پر از اتم عبور میکند -هنگامی که نور لیزر از حفرهای پر از اتم عبور میکند، بخشی از آن میتواند کار مفیدی انجام دهد (به عنوان مثال، یک باتری کوانتومی را شارژ کند، بالا)، در حالی که بخش دیگر به “گرما” تبدیل میشود (پایین). منبع: انریکه ساهاگون، اسکیکسل / دانشگاه بازل، دانشکده فیزیک
محققان روش جدیدی برای تعریف مفاهیم ترمودینامیکی در سیستمهای کوانتومی میکروسکوپی ابداع کردهاند، جایی که تمایزات مرسوم بین گرما و کار شروع به محو شدن میکنند.محققان دانشگاه بازل روش جدیدی را برای اعمال اصول ترمودینامیکی در سیستمهای کوانتومی بسیار کوچک معرفی کردهاند.
داستان ترمودینامیک به سال ۱۷۹۸ برمیگردد، زمانی که افسر و فیزیکدان بنجامین تامپسون (معروف به کنت رامفورد) حفاری لولههای توپ را در مونیخ بررسی کرد و متوجه شد که گرما یک ماده فیزیکی نیست، بلکه میتواند از طریق اصطکاک مکانیکی به طور بیپایان تولید شود.
برای بررسی این ایده، رامفورد لولههای گرم شده را در آب قرار داد و مدت زمان جوش آمدن آب را اندازهگیری کرد. آزمایشهایی از این دست در نهایت به شکلگیری رشته ترمودینامیک در قرن نوزدهم کمک کردند، دورهای که این رشته با آشکار کردن چگونگی تبدیل گرما به کار مفید در دستگاههایی مانند موتورهای بخار، نقش کلیدی در انقلاب صنعتی ایفا کرد.
امروزه، قوانین اصلی ترمودینامیک دانش ضروری را در سراسر علوم طبیعی تشکیل میدهند. آنها بیان میکنند که کل انرژی، که شامل گرما و کار میشود، در یک سیستم بسته ثابت میماند و آنتروپی، که نشان دهنده بینظمی است، نمیتواند کاهش یابد.
این قوانین به طور کلی معتبر هستند، اما هنگام تلاش برای اعمال آنها به کوچکترین سیستمهای کوانتومی، به سرعت با مشکلاتی مواجه میشویم. تیمی از محققان دانشگاه بازل، به رهبری پروفسور پاتریک پاتس، اکنون روش جدیدی برای تعریف مداوم مقادیر ترمودینامیکی برای سیستمهای کوانتومی خاص پیدا کردهاند. نتایج آنها اخیراً در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شده است.
آرون دنیل، دانشجوی دکترا، توضیح میدهد: «مشکلی که ما با توصیف ترمودینامیکی سیستمهای کوانتومی داریم این است که در چنین سیستمهایی، همه چیز میکروسکوپی است. این بدان معناست که تمایز بین کار، که انرژی ماکروسکوپی مفید است، و گرما، یا حرکت میکروسکوپی نامنظم، دیگر ساده نیست.»
به عنوان مثال، دنیل و همکارانش نگاه دقیقتری به تشدیدگرهای حفرهای انداختند که در آنها نور لیزر ورودی بین دو آینه به جلو و عقب منعکس میشود و در نهایت، تا حدی از حفره خارج میشود.
برخلاف نور یک لامپ معمولی یا LED، نور لیزر دارای ویژگی خاصی است که تمام امواج الکترومغناطیسی آن دقیقاً در گام قفل نوسان میکنند. با این حال، اگر نور لیزر از حفرهای پر از اتم عبور کند، این گام قفل – که به آن همدوسی نیز میگویند – میتواند به میزان بیشتر یا کمتری مختل شود. در این حالت، نور تا حدی یا کاملاً ناهمدوس میشود (که مربوط به حرکت نامنظم ذرات است). مکس شراوون، دانشجوی کارشناسی درگیر در این پروژه، میگوید: «همدوسی نور در چنین سیستم حفره لیزری، نقطه شروع محاسبات ما بود.»
محققان ابتدا منظور خود از «کار» را در زمینه نور لیزر تعریف کردند: به عنوان مثال، ظرفیت شارژ یک باتری کوانتومی. این امر مستلزم نور همدوسی است که بتواند به طور جمعی مجموعهای از اتمها را به حالت برانگیخته ببرد. برای سادگی، اکنون میتوان فرض کرد که نور لیزر همدوس که وارد حفره میشود قادر به انجام کار است، در حالی که نور لیزر تا حدی ناهمدوس که از حفره خارج میشود، قادر به انجام کار نیست. در این دیدگاه، نوری که از حفره خارج میشود باید «گرما» نامیده شود.
با این حال، حتی نور تا حدی ناهمدوس نیز در اصل میتواند کارهای مفیدی انجام دهد – فقط کمتر از نور کاملاً همدوس. دانیل و همکارانش بررسی کردند که چه اتفاقی میافتد وقتی بخش همدوس نور خروجی به عنوان کار در نظر گرفته میشود و فقط بخش ناهمدوس به عنوان گرما در نظر گرفته میشود. نتیجه: اگر کار به این صورت تعریف شود، هر دو قانون ترمودینامیک برآورده میشوند و بنابراین، این رویکرد سازگار است.
دانیل میگوید: “در آینده، میتوانیم از فرمالیسم خود برای بررسی مسائل ظریفتر در ترمودینامیک کوانتومی استفاده کنیم.” این امر، به عنوان مثال، برای کاربردهایی در فناوریهای کوانتومی مانند شبکههای کوانتومی مرتبط است. علاوه بر این، گذار از رفتار کلاسیک به کوانتومی سیستمهای ماکروسکوپی را میتوان از این طریق حتی بهتر بررسی کرد.
