Когда устройство состоит лишь из одного атома и нескольких фотонов, где проходит граница между теплом и полезной работой?
В эпоху квантовых технологий данный на первый взгляд абстрактный вопрос становится вполне актуальным: необходимо освоить описание крошечных «квантовых двигателей» так, чтобы классическая термодинамика и квантовая физика не противоречили друг другу. Учёные из Базельского университета (Швейцария) предложили теоретическую модель, которая объединяет оба подхода в одном описании.
Термодинамика возникла в XIX веке, она была необходима для понимания функционирования паровых машин и крупных установок, где значимы средние характеристики огромного числа частиц. Квантовая физика XX века, напротив, исследует поведение отдельных атомов и субатомных частиц. В современности эти миры всё чаще пересекаются: системы из одного-двух атомов и фотонов способны поглощать энергию, перерабатывать её и отдавать, функционируя как микроскопические квантовые машины.
Задача состоит в том, чтобы создать единую систему, которая будет применима как для полностью квантового описания, так и в так называемом полуклассическом пределе, когда часть системы рассматривается как квантовая, а часть — по законам классической физики. Группа профессора Патрика Поттса из Базеля представила такую теорию.
В качестве модельного примера физики был выбран атом, размещённый в оптическом резонаторе между двумя зеркалами. Атом способен поглощать и испускать фотоны, в резонатор постоянно поступает свет от лазера, а часть света уходит через полупрозрачные зеркала. «Это классический учебный пример так называемой управляемой и рассеяющей системы, которая постоянно получает энергию и одновременно теряет её в окружающую среду», объясняет постдок Марсело Янович. В такой конфигурации атом ведёт себя как миниатюрный тепловой двигатель — или, точнее, «световой двигатель».
Ранее Поттс и его коллеги продемонстрировали, что фотоны, выходящие из резонатора, нельзя автоматически относить к «отходам» в виде тепла: часть их энергии можно использовать для выполнения работы над другим квантовым объектом. В новой работе они исследовали, что происходит с этим разделением на тепло и полезную энергию, когда система приближается к полуклассическому пределу.
В этом пределе сам атом по-прежнему описывается как квантовая система с дискретными уровнями энергии, а свет уже рассматривается как классическая электромагнитная волна, без явных квантовых эффектов. «Классическое описание света значительно упрощает задачу: становится легче выделить ту часть энергии, которая может быть использована для работы, от хаотического тепла», замечает Янович. Ключевое испытание для любой квантовой термодинамической теории — такое классическое поведение должно возникать из неё естественным образом, а не подставляться вручную.
Расчёты авторов показали, что в их подходе это достигается: если часть излученного света трактовать как работу, теория плавно переходит к ожидаемому полуклассическому результату. В стандартном описании, где вся энергия, выходящая из резонатора, считается теплом, такого согласованного перехода не наблюдается.