日本國(guó)家科研機(jī)構(gòu)理化學(xué)研究所(RIKEN)造出了一種同時(shí)既發(fā)熱又制冷的微觀引擎。這是第一個(gè)體現(xiàn)量子效應(yīng)的設(shè)備,可用于改善納米技術(shù)。
傳統(tǒng)熱機(jī)和制冷機(jī)通過對(duì)兩缸液體周期循環(huán)實(shí)現(xiàn)不同的效應(yīng)。壓縮一缸液體導(dǎo)致液體升溫;快速讓另一缸液體膨脹則導(dǎo)致它冷卻。通過周期性循環(huán),兩缸液體交換能量,實(shí)現(xiàn)熱機(jī)或制冷機(jī)的效果。
這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人日本理化學(xué)研究所高級(jí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的小野敬二(Keiji Ono,音譯)說,在宏觀層面造一個(gè)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)這兩種循環(huán)的機(jī)器是不可能完成的任務(wù),當(dāng)然也沒有用處。
但是在微觀世界,物理定律不一樣。微觀世界是量子學(xué)掌控的世界,和宏觀世界有著很多不同之處。比如一個(gè)電子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)位置,或同時(shí)具有兩個(gè)能量態(tài)。物理學(xué)家在構(gòu)建新的理論框架,進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)了解微觀系統(tǒng)的運(yùn)作情況。近年來(lái)科學(xué)家造出不少微觀設(shè)備,比如基于單個(gè)原子的設(shè)備。
這份新研究在晶體管內(nèi)使用一個(gè)電子制造量子版本的熱機(jī)。電子有兩個(gè)能量態(tài)。研究組通過施加電場(chǎng)或微波的方式增加或減少兩者間的能量差。
小野敬二說:“這就像密閉式內(nèi)液體周期循環(huán)的膨脹和壓縮一樣。”當(dāng)電子從高能態(tài)轉(zhuǎn)換到低能態(tài)的過程還會(huì)釋放微波。
通過監(jiān)控電子處于哪個(gè)能量態(tài),研究組先展示這種納米設(shè)備分別作為熱機(jī)和制冷機(jī)的效果。
接著,研究組展示了更奇特的現(xiàn)象:這個(gè)納米設(shè)備可以同時(shí)既制熱又制冷——正是量子效應(yīng)的體現(xiàn)。研究人員通過探察電子處于不同能量態(tài)的特征效應(yīng)圖,證實(shí)了這種現(xiàn)象的存在。
小野敬二說:“實(shí)驗(yàn)展示的特征效應(yīng)圖和理論預(yù)計(jì)的幾乎完全一樣。這意味著兩種模式操作之間可以快速切換,這在未來(lái)將具有創(chuàng)新的應(yīng)用?!?/p>
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