Спины атомов заставили работать с пользой и высоким КПД

Квантовый мотор, работающий на перепаде температур между нагревателем и холодильником. Тепло от нагревателя передается радиочастотным полем на атом углерода, а тот, в свою очередь, «включает» молекулу хлороформа с его тремя атомами хлора. В результате совершается работа. Иллюстрация Physorg, Quantum Information UFABC

Такие же пары электронов со спинами, которые чаще всего представляют как оси собственного вращения электрона или ядра разной направленности, определяют сверхпроводимость. Это так называемые куперовские пары. Такие пары ученые сумели частично разделить, чтобы затем вновь воссоединить. Хаотичность направлений ядерных спинов уже относительно давно научились укрощать с помощью мощных сверхпроводящих магнитов: спины рекомбинируют, возвращаясь в исходное состояние и испуская при этом радиочастотные импульсы, улавливаемые чувствительными детекторами. Так родилась магнитно-резонансная томография (МРТ). Принцип ее прост: регистрация импульсов, идущих от протонов или ядер атомов водорода, входящего в состав воды.

Исследовано также и поведение пары атомов рения, которые разделяются и вновь соединяются на графитовой поверхности внутренней полости углеродной нанотрубки (SWNT – Single-Wall NanoTube). Получено также и точное определение длины связи между двумя атомами, которая может уменьшаться с 3 до 2,2 ангстрема (0,3–2,2 нанометра). Статья с изложением этого эксперимента, который провели физики из Университета в немецком г. Ульм, опубликована в журнале Science Advances.

Из той же Германии пришло сообщение об изменяемой термоэластической неравномерности (анизотропии) гибридных слоев полимера толщиной 10 ангстрем. Между этими слоями ученые поместили слой толщиной до 28 ангстрем (2,8 нанометра). Статью «полимерщиков» из Университета г. Байрёйт и Института полимеров в г. Майнц опубликовал журнал Angewandte Chemie.

Перед физиками давно стоит задача научиться управлять термомеханической анизотропией. Цель – контролировать выделяющееся в ходе различных процессов тепло. Ученые исследуют потоки тепла в анизотропных нанокомпозитных материалах. Однако от них ускользали детали взаимодействия механических и тепловых свойств таких материалов.

Немцы создали прозрачный гибрид из перемежающихся нанослоев синтетического гекторита (hectorite – фторид натрия с добавлением магния, лития и кислорода) и полимерного поливинил-пирролидона. Ученым удалось провести точные измерения теплового транспорта с точностью до 1 ангстрема (размер водородного атома). При этом теплопроводность составила 5,7 Вт/м.

Авторы подчеркивают, что созданный ими гибридный материал позволяет коррелировать эластичные поля с проведением тепла в избранном направлении. Особенно привлекательно, что гибрид в вертикальном направлении ведет себя как изолятор, вдоль же слоев активно проводит тепло (разница в тепловом поведении слоев достигает 40 раз).

А сотрудники Университета в канадском городе Ватерлоо и Физического центра в Сан-Пауло (Бразилия) продемонстрировали в лабораторных условиях тепловой мотор с использованием квантовой термодинамики ядерного спина углерода-13. Энергия, излучаемая нагретым телом в радиодиапазоне, меняла одно из двух возможных квантовых состояний спина. При этом КПД достигал 42%, что очень близко к теоретическому пределу в 44%. По мнению ученых, квантовые тепловые машины дают возможность создавать, например, квантовые холодильники для компьютеров.