אטום באמבטיה

האם חוקי התרמודינמיקה חלים על מכונות הנשמעות לתורת הקוונטים? למשל, האם מכונות קיטור, שעבורן נוסחה התרמודינמיקה מראשיתה, נשמעות לאותם כללים שלפיהם פועלת מכונה הבנויה מאטומים בודדים?

 מימין: דוד גלבוואסר-קלימובסקי ופרופ' גרשון קוריצקי. אפקט קוונטי
מימין: דוד גלבוואסר-קלימובסקי ופרופ' גרשון קוריצקי. אפקט קוונטי. צילום: מכון ויצמן

האם חוקי התרמודינמיקה חלים על מכונות הנשמעות לתורת הקוונטים? למשל, האם מכונות קיטור, שעבורן נוסחה התרמודינמיקה מראשיתה, נשמעות לאותם כללים שלפיהם פועלת מכונה הבנויה מאטומים בודדים? עד לאחרונה התשובה שניתנה לשאלה זו הייתה חיובית, על אף שאי-אפשר היה להוכיח זאת. אולם, מחקר חדש של פרופ' גרשון קוריצקי, מהפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, בשיתוף מדענים מצ'כיה ומפולין, מעלה אפשרות כי מכונות קוונטיות כפופות למגבלות אחרות מאלו של התרמודינמיקה המסורתית. כלומר, חוקי התרמודינמיקה עצמם נשארים בתוקף בעולם הקוונטי, אך לא כן הדבר לגבי חלק מהשלכותיהם. ממצאים אלה חושפים היבטים קוונטיים ייחודיים בפעולת מכונות הממירות חום לעבודה או עבודה לקירור. תיאוריה זו תוארה באחרונה בכתבי העת המדעיים Physical Review Letters ו-Physical Review.

נקודת הפתיחה של המחקר הנוכחי הייתה אפקט מפתיע שהתגלה במחקר קודם בקבוצת המחקר של פרופ' קוריצקי: מדידות של מערכת קוונטית, כגון אטום בודד, מאפשרות לחמם או לקרר אותו, על-פי קצב המדידות. התנאי לאפקט מוזר זה הוא, שמרווח הזמן בין המדידות יהיה קצר מ"זמן הזיכרון" של הסביבה (המתוארת כ"אמבט-חום") בה שרוי האטום, שהוא הזמן בו האמבט מחליף אנרגיה עם האטום – מקבל ומחזיר את האנרגיה באופן תנודתי.

תגלית זו פורסמה ב-2008 בכתב- העת Nature (ראו גם גיליון "המכון" מספר 51), ואומתה בניסוי שבוצע בקבוצת המחקר של פרופ' לוסיו פרידמן מהפקולטה לכימיה במכון, ופורסם ב-2010 בכתב-העת Physical Review Letters (ראו "המכון" 61). שינוי הטמפרטורה של האטום נבע מכך, שמדידות תכופות משנות את אנרגיית-הקשר בין האטום לבין אמבט- החום, אם הן מתרחשות בתוך זמן-הזיכרון של האמבט. מדובר בתופעה קוונטית מובהקת, על אף שהאטום המצוי בתוך אמבט-חום נחשב (קודם למחקר זה) לאובייקט הנוהג לפי התרמודינמיקה המסורתית, ואילו כאן נמצא כי האמבט, גם אם הוא מיקרוסקופי, פועל על האטום באופן קוונטי-קוהרנטי בתוך זמן הזיכרון שלו.

המחקר הנוכחי, שביצע תלמיד המחקר דוד גלבוואסר-קלימובסקי בהנחיית פרופ' קוריצקי, מראה כי אותו אפקט קוונטי מאפשר לאטום להשפיע באופן מהותי על המדידות: אם נחבר לאטום מתנד, הוא יגביר את תנודתו, בתנאי שהמדידות יהיו תכופות יותר מזמן הזיכרון של האמבט. כמו שינוי הטמפרטורה, גם ביצוע העבודה באמצעות מדידות תכופות מתאפשר באמצעות משאב שלא נוצל עד כה: שינוי באנרגיית- הקשר בין האטום לבין הסביבה. תיאוריות קודמות בתחומים אלה (כמו זו של הפיסיקאי רולף לנדאור מ-1960) התעלמו ממשאב זה.

בהמשך הראו המדענים, כי חיבור האטום לשני אמבטי חום, האחד חם והאחר קר, מאפשר ליצור מכונה שתמיר חלק מאנרגיית החום לפעולה שביצע האטום על מתנד (יגביר את תנודתו). אך אם תדר המתנד יהיה גבוה מדי, תפעל המכונה כמקרר שיפחית את טמפרטורת האמבט הקר.

לפי התיאוריה החדשה, המכונה הקטנה והפשוטה ביותר האפשרית היא אטום יחיד המצוי במגע עם אמבטי-חום ומחובר למתנד פשוט המשמש בוכנה קוונטית. המדענים מקווים, כי ממצאים אלה יסייעו בגישור בין התרמודינמיקה לבין תורת הקוונטים, יובילו לפיתוח עתידי של מכונות ממוזערות מתקדמות, ויאפשרו קירור יעיל של התקנים ממוחשבים זעירים (מגבלות הקירור של התקנים כאלה מהוות כיום אחד מהגורמים המקשים על מיזעור התקנים ממוחשבים).

אומר פרופ' קוריצקי: "התיאוריה החדשה מציבה בין השאר סימן שאלה לגבי קביעתו של נרנסט מ-1908, שאין אפשרות להגיע לאפס המוחלט בזמן סופי. לדעתי, ייתכן שאפשר יהיה להגיע לנקודה אולטימטיבית זו, אם המערכת המקוררת היא שרשרת ספינים (מגנטים זעירים), אשר קשורה לאטום יחיד המשמש כמקרר. שרשרת הספינים פשוט תקפא לחלוטין. פיסיקאים לא מעטים, שחונכו לזהות את החוק השלישי של התרמו-דינמיקה עם קביעת נרנסט כי אי-אפשר להגיע לאפס המוחלט, עשויים לחוש אי-נוחות לגבי תחזית זו, המציעה בחינה מחדש של משמעות החוק השלישי. אבל הפתעות וחילוקי דעות, כידוע, הם ממנועי הצמיחה החזקים ביותר של המדע המודרני". פרופ' קוריצקי סבור, שהוויכוח יוכרע באמצעות ניסויים שאפשר לבצעם בגזים קרים.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן