新加坡国立大学 单原子装置的实验有助于研究人员理解当机器缩小到原子尺度时，什么样的量子效应会起作用
学分:阿基·本田/新加坡国立大学量子技术中心 机器微型化的故事翻开了新的一章:新加坡一家实验室的研究人员已经证明，一个原子既可以作为发动机，也可以作为冰箱
这种装置可以被改造成未来的计算机和燃料电池来控制能量流动
“想想你的电脑或笔记本电脑里有很多发热的东西
今天你用一个吹空气的风扇冷却它
“在纳米机器或量子计算机中，进行冷却的小型设备可能是有用的东西，”新加坡科技与设计大学的达里奥·波莱蒂说
这项工作使人们对这种装置的机理有了新的认识
这项工作是由CQT量子技术中心和新加坡国立大学物理系以及德国奥格斯堡大学的研究人员合作完成的
该结果发表在5月1日的同行评议期刊《npj量子信息》上
发动机和冰箱都是热力学描述的机器，热力学是科学的一个分支，告诉我们能量如何在系统中运动，以及我们如何提取有用的功
经典发动机将能量转化为有用的功
冰箱确实能传递热量，降低局部温度
从某种意义上说，它们是对立的
在使用单个原子、单个分子和金刚石中的缺陷之前，人们已经制造了小型热机
这种装置的一个关键区别是，它在动作中表现出定量
“我们想了解如何只用几个原子就能建造热力学装置
领导这项实验工作的国立CQT大学首席研究员马纳斯·慕克吉说:“物理学还没有被很好地理解，所以我们的工作对于知道什么是可能的是很重要的。”
研究人员研究了单个钡原子的热力学
他们设计了一个方案，在这个方案中，作为循环的一部分，激光在两个能级之间移动原子的一个电子，导致一些能量被推入原子的振动中
就像汽车发动机消耗汽油来移动活塞和给电池充电一样，原子利用激光能量作为燃料来增加振动
原子的振动就像电池一样，储存着以后可以提取的能量
重新安排周期，原子就像一个冰箱，从振动中移除能量
在这两种操作模式中，量子效应都表现在原子的电子态和振动之间的相关性上
“在这个尺度上，发动机和负载之间的能量传递有点模糊
波莱蒂说:“不再可能简单地对负载做功，你必然会传递一些热量。”
他与新加坡国立大学物理系的合作者·龚和奥格斯堡的彼得·亨吉一起研究出了这个理论
这种模糊性降低了过程的效率，但是实验者仍然可以让它工作
慕克吉和他的同事诺亚·范·霍恩、大云·尤姆和塔伦·杜塔使用了一种钡原子，从中可以去除一个电子(负电荷)
这使得原子带正电，因此它可以更容易地被电场保持在金属室内
所有其他的空气都从它周围排出
然后用激光照射原子，使其通过四个阶段的循环
研究人员在应用2到15个周期后测量了原子的振动
他们重复给定次数的循环达150次，测量最后平均有多少振动能量
他们可以看到，当原子被发动机循环激发时，振动能量增加，当原子被冰箱循环激发时，振动能量减少
理解原子大小的机器需要复杂的计算和观察
该团队需要跟踪两个热力学量，即所谓的遍历性和熵，遍历性是可以转化为有用功的能量，熵与系统中的无序有关
原子机器运行时，遍历性和熵都增加
“仍然有一个简单的方法来看待它，”第一作者和博士说
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学生范·霍恩说:“简单地说，我们设计了一个小机器，当它充满了自由能量时，就会产生熵，就像孩子们吃了太多的糖一样
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