Wetenschappers onthullen opwindende mogelijkheden voor het ontwikkelen van efficiënte kwantumapparaten. Kwantummechanica is een tak van de natuurkunde die de eigenschappen en interacties van deeltjes op extreem kleine schaal onderzoekt, zoals atomen en moleculen. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van nieuwe technologieën die krachtiger en efficiënter zijn dan traditionele technologieën, wat heeft geleid tot doorbraken op gebieden als computers, communicatie en energie.
Een kwantumsprong in motorontwerp
Aan het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hebben onderzoekers van de afdeling Quantum Systems, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Kaiserslautern-Landau en de Universiteit van Stuttgart, een motor ontworpen en gebouwd op basis van de speciale regels waaraan deeltjes gehoorzamen op extreem kleine schaal.
Ze hebben een motor ontwikkeld die de principes van de kwantummechanica gebruikt om stroom te genereren, in plaats van de gebruikelijke manier om brandstof te verbranden. Het artikel dat deze resultaten beschrijft, is mede geschreven door OIST-onderzoekers Keerthy Menon, Dr. Eloisa Cuestas, Dr. Thomas Fogarty en Professor Thomas Busch, en werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Vergelijking van klassieke motoren en kwantummotoren
Bij een typische klassieke automotor wordt een mengsel van brandstof en lucht in een holte ontstoken. De door de explosie gegenereerde warmte verwarmt het gas in de holte, dat op zijn beurt de zuiger in en uit duwt, waardoor arbeid wordt geleverd om het wiel te laten draaien.
In hun kwantummotor hebben de onderzoekers het gebruik van warmte vervangen door de kwantumeigenschappen van deeltjes in het gas te veranderen. Om te begrijpen hoe deze verandering een motor aandrijft, moeten we weten dat alle deeltjes in de natuur kunnen worden geclassificeerd als bosonen of fermionen op basis van hun speciale kwantumeigenschappen.
Bij extreem lage temperaturen, waar kwantumeffecten belangrijk worden, hebben bosonen een lagere energietoestand dan fermionen, en dit energieverschil kan worden gebruikt om motoren aan te drijven. In plaats van een gas cyclisch te verwarmen en af te koelen zoals een klassieke motor, werkt een kwantummotor door bosonen in fermionen te veranderen en weer terug.
"Om van een fermion een boson te maken, combineer je twee fermionen tot een molecuul. Dit nieuwe molecuul is een boson. Nadat we het hebben afgebroken, kunnen we het fermion weer terugkrijgen." Professor Thomas Busch, leider van de Quantum Systems Group, legde uit: "Door dit in een lus te doen, kunnen we de motor aandrijven zonder warmte te gebruiken."
De efficiëntie en het potentieel van kwantummotoren
Hoewel deze motor alleen in een kwantumtoestand werkt, ontdekte het onderzoeksteam dat deze behoorlijk efficiënt is en tot 25% kan bereiken in de bestaande experimentele opstelling die door Duitse medewerkers is opgezet.
Deze nieuwe motor is een opwindende ontwikkeling op het gebied van de kwantummechanica en heeft het potentieel om het opkomende gebied van de kwantumtechnologieën verder te bevorderen. Maar betekent dit dat we binnenkort de kwantummechanica zullen zien die automotoren aandrijft? Keerthy Menon legt uit: "Hoewel deze systemen zeer efficiënt zijn, hebben we alleen een proof-of-concept gedaan met experimentele medewerkers. Er zijn veel uitdagingen bij het maken van een bruikbare kwantummotor."
De hitte kan kwantumeffecten vernietigen als de temperatuur te hoog is, dus onderzoekers moeten het systeem zo koud mogelijk houden. Het uitvoeren van experimenten bij zulke lage temperaturen vergt echter veel energie om gevoelige kwantumtoestanden te beschermen.
De volgende stappen in het onderzoek omvatten het oplossen van fundamentele theoretische vragen over de werking van het systeem, het optimaliseren van de prestaties ervan en het onderzoeken van de potentiële toepasbaarheid ervan op andere veelgebruikte apparaten, zoals batterijen en sensoren.