编辑 | 杨凌、韩若冰、董唯元、陈航
1 高效量子热机室温实现奥图循环
许多科幻作品中，都曾出现过那种极其微小的交通工具，能够穿梭于人体毛细血管，甚至进入细胞内部。我们知道，现实中当然不可能像漫威电影《蚁人》那样，直接把一辆汽车缩小到病毒那么大。如果想造出病毒大小的交通工具，必须设计一种新的发动机。
其实早在1959年，就有科学家借鉴普通汽车发动机的热循环过程，提出了一种名为“三级放大”的模型，可以实现量子热机[1]。
日常生活中的汽车发动机，是典型的卡诺热机。如同水利发电机利用水的落差发电一样，卡诺热机就是在热端和冷端之间设置一个循环，利用热量流动推动循环往复，从而向外提供动力。中学物理课本上的卡诺循环，就是其中一种。不过现实中很难实现等温膨胀和等温压缩过程，燃油发动机内部其实经历的是由等容过程和等熵过程组成的奥图循环。
三级放大模型中的三级，是指量子的能量基态、低能激发态和高能激发态这三级。外部的“热端”可以使量子的能级变宽，激发时处于较高能量状态；“冷端”则使量子的能级变窄，激发态的能量较低。通过一定操控，使量子在两个状态间往复，就可以实现向外提供动力的热循环。
这个工作机制对单个粒子依然有效，所以理论上一个粒子就可以当做一台发动机。可惜现实中，无论分子尺度的无规则热运动，还是量子世界的各种随机涨落，都是实现这一梦想的巨大阻碍。
所幸聪明的科学家还想到了这个热循环的逆过程，很快又发表了采用相同模型的制冷技术原理[2]，并在1976年左右实现了大名鼎鼎的激光制冷[3-4]。激光制冷技术荣获诺奖的同时，也直接或间接的催生出大量其他诺奖级成果，如今已然成为物理学研究的重要技术手段之一。相形之下，量子热机的进展就显得有些滞后。
在刚刚过去的2019年最后一个月里，发表在物理学顶级期刊《Physics Review Letters》上的一篇关于量子热机的文章[5]，展示了颇为亮眼的成果[6]。
文章的作者是来自加拿大、巴西和新加坡的国际合作研究团队。他们的构建方法是将碳-13为中心的三氯甲烷放置在500MHz的核磁共振仪中，在常温常压下得到了近乎完美的奥图循环热机。其概念验证实验中表现出的做功效率达到了42%，距离理论上限的44%，仅差2个百分点。
这个超级微小的热机一共只由5个原子组成，中心是1个碳-13原子，周围是1个氢原子和3个氯原子。其工作原理主要是利用一种被称为Larmor进动的量子效应，确切的说就是碳原子的自旋磁矩，在碳氢键上不同位置所表现出的不同Larmor进动。
在靠近氢原子的位置，进动频率较高；而靠近碳原子的地方，进动频率较低。这种区别，使碳原子自旋的能级宽度有所不同。也就是说，在碳氢键的两端存在能量落差。根据三级模型所指明的原理，就可以产生奥图循环。
这个微小的热机之所以能够在常温常压下工作，主要是因为向外做功过程的弛豫时间非常短，非平衡态的持续时间约为10^-4秒，远远小于退相干所需要的秒级时间。所以热机在整个向外做功的过程中，一直可以保持住自己非对角化的哈密顿量，不必担心受到来自环境的噪声侵扰。
另外文章中还对这个热机的做功特性，以及能谱概率分布等具体内容进行了诸多阐述。颇有一种蓝图已就绪，只等上马开工的感觉。也许在不久的将来，我们就可以将这项昨日科幻变成触手可及的日常。
[1] Scovil, H. E. D.; Schulz-DuBois, E. O. (1959). "Three-Level Masers as Heat Engines". Physical Review Letters. 2 (6): 262–263. Bibcode:1959PhRvL...2..262S. doi:10.1103/PhysRevLett.2.262. ISSN 0031-9007
[2] Geusic, J. E.; Bois, E. O. Schulz‐Du; De Grasse, R. W.; Scovil, H. E. D. (1959). "Three Level Spin Refrigeration and Maser Action at 1500 mc/sec". Journal of Applied Physics. 30 (7): 1113–1114. Bibcode:1959JAP....30.1113G. doi:10.1063/1.1776991. ISSN 0021-8979.
[3] Hänsch, T.W.; Schawlow, A.L. (1975). "Cooling of gases by laser radiation". Optics Communications. 13 (1): 68–69. Bibcode:1975OptCo..13...68H. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5. ISSN 0030-4018.
[4] Letokhov, V.S.; Minogin, V.G.; Pavlik, B.D. (1976). "Cooling and trapping of atoms and molecules by a resonant laser field". Optics Communications. 19 (1): 72–75. Bibcode:1976OptCo..19...72L. doi:10.1016/0030-4018(76)90388-6. ISSN 0030-4018.
[5] DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.240601
