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클래식 모터는 열과 같은 에너지 형태를 기계 작업으로 변환함. 이러한 법칙을 단일 세슘 원자로만 구성된 소형 기계로 이전하여 더 효율적으로 작동할 수 있을지에 관한 증거를 독일 카이저슬라우테른공과대학 연구진이 제공함. 또한, 양자 도구 상자의 트릭 덕분에 과학자들은 양자 세계에서 편재하는 변동에도 불구하고 기계를 안정적으로 작동할 수 있었음.

전통적으로 구동되는 엔진은 열역학 법칙을 따름. 연구진은 양자 역학에서 열역학의 근본적인 문제를 해결하면서 이러한 기본 원리를 양자 세계로 이전함.

연구진은 열 변동을 최소화하기 위해 절대 0으로 냉각된 루비듐 원자 가스로 시작하는 특별한 실험 설정을 선택함. 소형 기계는 개별 세슘 원자로 만들어지며 기계를 구동하는 연료는 회전이라고 하는 루비듐 원자의 각운동량임. 세슘과 루비듐 원자가 충돌하면 양자 수준에서 열을 교환하고 회전함.

스핀 방향은 위 또는 아래의 두 방향으로 바뀔 수 있고, 이 시스템에서는 뜨겁고 차가운 열 차이를 나타낸다고 연구진은 설명함. 소위 스핀-교환 충돌이 발생하면 충돌하는 세슘과 루비듐 원자의 스핀 방향이 반대 방향으로 기울어지고, 시스템에서 주어진 초저온에서 연구진은 각각의 충돌에서 스핀 변화의 방향을 제어할 수 있다고도 설명함. 또한 시스템의 에너지를 변화시키는 자기장으로 변환하는 피스톤의 움직임을 대체했다고 함.

이 과정에서 연구진은 이전에는 극복할 수 없다고 여겨졌던 문제를 극복함. 지금까지 과학계는 양자 열 엔진이 고효율로 일정한 전력을 안정적으로 전달할 수 있는지 의심하게 만든 것은 "모호함" 또는 측정 결과의 변동인데, 연구진은 엔진이 서로 다른 출력 레벨 사이에서 제어할 수 없이 앞뒤로 변동할 가능성을 근본적으로 배제하고 싶다고 말함.

스핀 교환 충돌 동안 변동이 발생했지만, 연구진은 시간이 지남에 따라 세슘 원자의 스핀이 포화된다고 설명함. 즉, 일정 시간이 지나도 하나의 상태로 유지되므로 변동을 제어할 수 있음. '고전적인' 열 기계에 비해 원자는 공정에서 더 높은 여기 상태에 도달함. 이것이 효율적인 작동의 핵심임. 억제된 변동의 장점 외에도 이 양자 트릭을 사용하면 기존의 고전적인 기계에서 두 개의 서로 다른 온도에서 기계를 작동시키는 열역학적으로 가능한 것보다 개발된 양자 기계가 한 사이클에서 더 많은 에너지를 변환할 수 있음.

개발된 양자 열 엔진은 안정적으로 작동하면서 지속적으로 높은 전력을 방출하며 매우 높은 효율로 작동함. 연구진의 이론적 지원과 함께 열역학을 양자 수준으로 성공적으로 가져와 양자 열역학 응용 분야의 문을 열었음.

본 연구 성과는 Nature Communications ("A quantum heat engine driven by atomic collisions")에 게재됨.