Experiment was carried out by a team of researchers at the University of Waterloo, Universidade Federal do ABC and Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, who successfully demonstrated a spin quantum heat engine in a laboratory setting (paper published in Physics Review Letters, outlines the implementation of a heat engine based on a spin-1/2 system and nuclear magnetic resonance techniques). "The so-called 'quantum thermodynamics' are currently under development. This emerging field is also associated with developments in quantum technology, which promises a kind of new industrial revolution at the nanoscale with disruptive devices for computation, communication, sensors, etc." (c) Roberto Serra, one of the researchers who carried out the study. In their experiment, Serra and his colleagues successfully implemented a proof-of-principle quantum heat engine using a nuclear spin placed in a chloroform molecule and nuclear magnetic resonance techniques. The researchers specifically manipulated the nuclear spin of a Carbon 13 isotope using a radiofrequency field, ultimately producing an Otto cycle (i.e., the thermodynamic cycle used in most common motors). "The energy difference between the two possible nuclear spin states (let as say up and down) was increased and decreased similar to a piston expansion and compression in a car engine," Serra explained. "Under some conditions, the nuclear spins in the molecule can absorb and release heat from/to radio waves." Energy fluctuations play a crucial role in the quantum scenario that Serra and his colleagues focused on. Measuring these fluctuations in a thermodynamic cycle, however, is an extremely challenging task, which the researchers were surprisingly able to complete. They found that when performing a quantum Otto cycle at maximum power, their quantum heat engine could achieve an efficiency for work extraction of η≈42%, which is very close to its thermodynamic limit (η=44%). And? "In our experiment, the tiny spin engine reaches an efficiency close to its thermodynamic limit at maximum power, which is much better than what car engines can do nowadays. The quantum spin engine would not be very useful in practice since the work produced would supply a very small amount of energy to radio waves. It would only be sufficient to alter another nuclear spin. We are more interested in measuring how much energy it uses, how much heat it dissipates, and how much entropy is produced during operation." (c) Roberto Serra. In their future work, Serra and his colleagues also hope to identify ways to optimize the operation of small quantum thermal machines, demonstrating their effectiveness in real experiments. This could ultimately help to build more advanced quantum refrigerators that could be implemented in new quantum computers. // Эксперимент был проведен группой исследователей, которые успешно продемонстрировали спин-квантовый тепловой двигатель в лабораторных условиях (в статье, опубликованной в Physics Review Letters, описана реализация теплового двигателя на основе системы спин-1/2 и методов ядерного магнитного резонанса). «В настоящее время разрабатывается так называемая 'квантовая термодинамика'. Эта новая область также связана с разработками в области квантовых технологий, которые обещают своего рода новую промышленную революцию в наноразмерном масштабе с разрушительными устройствами для вычислений, связи, датчиков и т.д.» (c) Роберто Серра, один из исследователей, проводивших эксперимент. В своем эксперименте Серра и его коллеги успешно внедрили проверенный на практике квантовый тепловой двигатель, использующий ядерный спин, помещенный в молекулу хлороформа, и методы ядерного магнитного резонанса. Исследователи специально манипулировали ядерным вращением изотопа углерода 13, используя радиочастотное поле, в конечном итоге создавая цикл Отто (то есть термодинамический цикл, используемый в большинстве распространенных (автомобильных в т.ч.) двигателей). «Разность энергий между двумя возможными состояниями ядерного вращения (скажем, вверх и вниз) увеличивалась и уменьшалась, подобно расширению и сжатию поршня в двигателе автомобиля», - пояснил Серра. «При некоторых условиях ядерные спины в молекуле могут поглощать и выделять тепло от/до радиоволн». Колебания энергии играют решающую роль в квантовом сценарии, на котором сосредоточились Серра и его коллеги. Однако измерение этих колебаний в термодинамическом цикле является чрезвычайно сложной задачей, которую исследователи смогли удивительным образом выполнить. Они обнаружили, что при выполнении квантового цикла Отто на максимальной мощности их квантовый тепловой двигатель может достигать эффективности извлечения работы η≈42%, что очень близко к его термодинамическому пределу (η = 44%). И? «В нашем эксперименте крошечный центробежный двигатель достигает КПД, близкого к своему термодинамическому пределу при максимальной мощности, что намного лучше, чем то, что автомобильные двигатели могут делать в настоящее время. Квантовый спиновый двигатель не будет очень полезен на практике, поскольку произведенная работа будет обеспечивать очень небольшое количество энергии для радиоволн. Этого было бы достаточно только для изменения другого ядерного спина. Нас больше интересует измерение того, сколько энергии он использует, сколько тепла рассеивает и сколько энтропии вырабатывается во время работы ». (с) Роберто Серра. В своей будущей работе Серра и его коллеги также надеются определить способы оптимизации работы небольших квантовых тепловых машин, демонстрируя их эффективность в реальных экспериментах. В конечном итоге это может помочь в создании более совершенных квантовых холодильников, которые могут быть реализованы в новых квантовых компьютерах. Orig: https://phys.org/news/2019-12-experimental-quantum.html. // Quite a little attention is paid to quanta as such, despite the fact that huge potential is hidden in such fundamental particles (just look around and look at yourself to understand this). A rather simple mechanism for changing the spin in a pair of quantum entanglement is difficult to track, and yet, finally it is possible to do this. Long live quantum physics!