单原子设备的实验帮助研究人员了解当机械收缩到原子尺度时，量子效应会发挥什么作用。图片来源:Aki Honda /新加坡国立大学量子技术中心

　　机器小型化的故事翻开了新篇章:新加坡实验室的研究人员已经证明，单个原子既可以充当发动机，也可以充当冰箱。这种装置可以被设计成未来的计算机和燃料电池来控制能量流动。”想想你的电脑或笔记本电脑里面有很多可以加热的东西。今天你用一个吹风的风扇来冷却它。在纳米机器或量子计算机中，能够进行冷却的小型设备可能是有用的，”新加坡科技与设计大学(SUTD)的达里奥·波莱蒂说。

　　这项工作对这类装置的机制提供了新的见解。这项工作是由量子技术中心(CQT)和新加坡国立大学(NUS)物理系、SUTD和德国奥格斯堡大学的研究人员合作完成的。该研究结果发表在5月1日的同行评议期刊《npj量子信息》上。

　　发动机和冰箱都是用热力学描述的机器。热力学是一门科学，它告诉我们能量如何在系统中运动，以及我们如何提取有用的功。经典的发动机将能量转化为有用的功。冰箱做功传递热量，降低当地温度。在某种意义上，它们是对立的。

　　在使用单个原子、单个分子和钻石的缺陷之前，人们已经制造了小型热机。这个装置的一个关键不同之处在于，它在它的行动中显示了量子性。“我们想知道如何用几个原子构建热力学装置。我们对物理学还没有很好地了解，所以我们的工作很重要，我们要知道什么是可能的，”新加坡国立大学CQT的首席研究员Manas Mukherjee说，他领导了这项实验工作。

　　研究人员研究了单个钡原子的热力学。他们设计了一种方案，作为循环的一部分，激光在两个能级之间移动原子的一个电子，从而导致一些能量被推入原子的振动中。就像汽车引擎消耗汽油来驱动活塞和给电池充电一样，原子利用激光的能量作为燃料来增加它的振动运动。原子的振动就像电池一样，储存能量供以后提取。重新排列这个循环，原子就像一个冰箱，从振动中移除能量。

　　在这两种操作模式中，量子效应表现在原子的电子态和振动之间的相关性上。“在这种规模下，发动机和负载之间的能量传递有点模糊。简单地对负载做功是不可能的，你一定会传递一些热量，”波莱蒂说。他与新加坡国立大学物理系的龚江斌以及奥格斯堡的彼得H?nggi合作提出了这个理论。这种模糊性降低了这个过程的效率，但实验人员仍然可以让它工作。

　　Mukherjee和他的同事Noah Van Horne, Dahyun Yum和Tarun Dutta使用了一个去掉一个电子(负电荷)的钡原子。这使得原子带正电荷，因此它更容易被电场固定在金属腔内。所有其他空气从它周围被移除。然后用激光攻击原子，使其通过四个阶段的循环。

　　研究人员在施加2到15次循环后测量了原子的振动。他们重复给定的循环次数达150次，平均测量最后的振动能有多少。他们可以看到，当原子在发动机循环中受到冲击时，振动能量增加，而在冰箱循环中受到冲击时，振动能量减少。

　　了解这个原子大小的机器需要复杂的计算和观察。研究小组需要追踪两个热力学量，一个是ergrotropy(能转化为有用的功的能量)，另一个是熵(与系统的无序性有关)。随着原子机器的运行，能量学和熵都在增加。第一作者、博士生范·霍恩说，我们仍然可以从一个简单的角度来看待这个问题，“粗略地说，我们设计了一个小机器，当它充满自由能时，就会产生熵，就像孩子吃了太多糖一样。”

　　参考文献:“具有量子负载的单原子能量转换装置”，作者:Noah Van Horne, Dahyun Yum, Tarun Dutta, Peter H?nggi, Jiangbin Gong, Dario Poletti和Manas Mukherjee, 2020年5月1日，npj量子信息。DOI: 10.1038 / s41534 - 020 - 0264 - 6