Ученые из Королевского колледжа Лондона разработали уникальный тепловой двигатель, состоящий всего из одной частицы. Во время экспериментов устройство нагрелось до температур, превышающих показатели на поверхности Солнца, что открывает новые перспективы в изучении термодинамики.
В течение 4,6 миллиарда лет ни одно место в Солнечной системе не было горячее нашего светила. Однако человечество научилось создавать температуры, значительно превосходящие солнечные, хотя обычно для этого требуются гигантские установки.
Например, Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER), который весит как три Эйфелевы башни, будет удерживать плазму при температуре 150 миллионов градусов Цельсия. Большой адронный коллайдер, растянувшийся на 27 километров, может создавать еще более горячие «огненные шары», но только на мгновение. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, доказывает: подобные экстремальные условия можно воспроизвести на микроскопическом уровне.
Эксперимент с одной частицей
Команда физиков под руководством аспирантки Молли Месседж создала тепловой двигатель, используя лишь одну частицу кремнезема (силики). Ее размер составляет 4,82 микрометра, что равно примерно 5% толщины человеческого волоса.
Чтобы достичь результата, ученые поместили частицу в вакуум и заставили ее левитировать с помощью системы электрических полей, известной как ловушка Пауля. Повышая напряжение на одном из электродов, исследователи смогли «разогнать» температуру частицы до 10 миллионов кельвинов. Это значительно горячее поверхности Солнца и приближается к температуре его ядра.
«Двигатели и типы передачи энергии, происходящие в них, являются микрокосмосом более широкой Вселенной, — отметила Молли Месседж, ведущий автор исследования. Изучение парового двигателя породило термодинамику, которая, в свою очередь, открыла фундаментальные законы физики. Продолжение изучения двигателей в новых режимах дает потенциал для расширения нашего понимания Вселенной».
Парадоксы микромира
Этот эксперимент стал первым случаем достижения таких температур в столь малом масштабе. Полученные данные выявили неожиданные термодинамические эффекты. Например, во время работы система иногда охлаждалась вместо того, чтобы нагреваться, попадая под воздействие более высоких температур. Это связано с «случайным воздействием тепловых флуктуаций», которые доминируют на микроуровне.
Авторы работы отмечают, что термодинамическое поведение микроскопических систем полно сюрпризов: двигатели могут кратковременно работать в обратном направлении, а тепловая среда как будто «запоминает» состояние системы.
Такие открытия имеют не только теоретическое значение. Понимание этих процессов поможет инженерам создавать более эффективные наномашины, а биологам — лучше исследовать такие явления, как сворачивание белков, что стало темой Нобелевской премии по химии в 2024 году.
Также рекомендуем прочитать:
В Польше нашли уникальный инструмент кельтов для операций на мозге
