Kategoriler
Bilim

Alman Araştırmacıların Tasarladığı Lityum Tabanlı Kuantum Motoru

Almanya'daki Kaiserslautern-Landau Üniversitesi araştırmacıları prototip bir kuantum motoru geliştirdi. Eğer gelişimi ticari olarak uygulanabilir bir versiyona yol açarsa, kuantum piller de dahil olmak üzere yeni nesil gelişmiş kuantum enerji cihazları için temel oluşturabilir.

Alman araştırmacılar tarafından Nature dergisinde yayınlanan sonuçlara göre, bir kuantum motoru inşa etmek teknik olarak mümkün. Böyle bir sistemin mekanizması yakıtın yanmasına ya da kimyasal bir tepkimeye değil, içindeki parçacıkların kuantum özelliklerinin daimi olarak değiştirilmesine dayanıyor.

Deneysel bir cihazı test etmek için yapılan bir deneyin parçası olarak, bilim adamları lityum atomlarını kullanmayı seçtiler. Araştırmacılar, sistemin verimliliğinin %25 olduğunu, bunun nispeten düşük olduğunu ancak daha fazla araştırmayla geliştirilebileceğini söylüyor. Kendi modelleri de dahil olmak üzere kuantum motorlarının hala deneysel bir aşamada olduğunu kabul etmekle birlikte, belirli pratik durumlar için optimize edilmeleri halinde devrim niteliğindeki uygulamaları hızla mümkün kılabilecekleri konusunda ısrar ediyorlar.

Bir Hal Değişimi

Pauli kuantum motorunun şematik diyagramı.
Pauli kuantum motorunun şematik diyagramı. Görsel Koch, J., Menon, K., Cuestas, E. ve diğerleri, Nature.

Kuantum dünyasında her parçacık ya bir fermiyon ya da bir bozon olarak sınıflandırılır. Bu iki kategori temeldir ve çok farklı parçacık türlerini tanımlar. Fermiyonlar Pauli dışlama ilkesini takip eder, bu da iki fermiyonun asla aynı anda tam olarak aynı kuantum durumunu işgal edemeyeceğini ima eder. Öte yandan, birkaç bozon aynı kuantum durumunu eşzamanlı olarak işgal edebilir. Bu nedenle bir grup parçacığın kolektif davranışı, fermiyon veya bozon olarak sınıflandırılmalarına bağlıdır.

Araştırmacılar, bir dizi atomu manipüle etmenin bir yolunu buldular, böylece davranışlarını döngüsel bir şekilde dönüşümlü olarak bozonlar ve fermiyonlar gibi görünecek şekilde değiştirdiler. Bu kontrollü değişim, kuantum motorlarının çalışmasını sağlamak için kullanıldı.

Deney, termal etkilerin azaldığı çok düşük sıcaklıklarda gerçekleştirildi. Bu nedenle araştırmacılar lityum atomlarını mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara kadar soğutmak zorunda kaldılar. Bu koşul, lityum atomlarının kuantum etkilerinin en belirgin ve en kontrol edilebilir olduğu bir durumda olmasını sağlıyor.

Kuantum Motor Döngüsü

Pauli enerjisinin katkısı.
Pauli enerjisinin katkısı. Görsel: Nature.

Daha sonra lityum atomlarının davranışlarını etkilemek için manyetik alanlar kullandılar, böylece toplu olarak fermiyonlar veya bozonlar gibi davrandılar. Ancak bu manipülasyonları gerçekleştirmeden önce lityum atomlarının çiftler oluşturmasını sağlamaları gerekiyordu. Bu moleküler çiftler, yukarıda açıklandığı gibi yönlendirilen varlıklardır.

Lityum atomları başlangıçta bozon gibi davranacak şekilde hazırlanmıştı. Manyetik alan aracılığıyla sıkıştırılarak yoğunlukları artırıldı. Araştırmacılar daha sonra onları fermiyon gibi davranmaları için yönlendirdi. Bozonik bir durumdan fermiyonik bir duruma geçiş, sistemin kolektif enerjisini artırır. Bir motor bağlamında, bu enerji kazancı çok önemlidir, çünkü potansiyel olarak kullanılabilecek olan bu enerjidir.

Lityumun yarı fermiyona dönüşmesi genişlemesini ya da genleşmesini sağlamıştır. Genişledikten sonra ve manyetik alanların etkisi altında, atomlar bozonik durumlarına geri dönmüş ve bu da sistemin kolektif enerjisini azaltma etkisine sahip olmuştur. Başka bir deyişle, bir kuantum motoru bozonlardan oluşan bir gazı sıkıştırır ve fermiyonlardan oluşan bir gazı genleştirir. Döngü, yakıtın mekanik bir iş üretmek için döngüsel bir şekilde sıkıştırıldığı ve genleştirildiği geleneksel bir motorunkine (örneğin termal motor) benzer.

Yazar Berkay Alpkunt

Bilim ve doğa tarihi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları arasında popüler teknoloji ve coğrafya yer alıyor. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.