Quantentechnik Quanten-Wärmekraftmaschine: Mikro-Motor in Atomgröße

Die Quanten-Fluktuationen machen es fast unmöglich, Quantenmaschinen stabil zu betreiben. Physikern der TU Kaiserslautern ist das jetzt gelungen: Sie haben eine Miniaturmaschine aus einem einzelnen Atom konstruiert, die effizient läuft.

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Forschern der TU Kaiserslautern ist es gelungen, einen leistungsfähigen Minimotor im Quantenbereich zu entwickeln. Trotz der Fluktuationen in der Quantenwelt ist es den Forschern gelungen, die Miniaturmaschine stabil zu betreiben.

Vom klassischen Motor zur Quantenmaschine

Ein klassisch betriebener Motor folgt den Gesetzen der Thermodynamik. Beispielsweise wird Benzin entzündet und Wärmeenergie durch die Kolben in Bewegungsenergie umgewandelt. Diese Grundprinzipien hat ein Forschungsteam der TU Kaiserslautern zusammen mit Prof. Eric Lutz von der Universität Stuttgart in die Quantenwelt übertragen.

Doch wie lässt sich so eine Quanten-Wärmekraftmaschine überhaupt bauen? Dafür wählten die Forschenden einen speziellen Versuchsaufbau: Als Medium dient ein Gas aus Rubidium-Atomen, das – um thermische Fluktuationen auszuschließen – bis fast an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Der Treibstoff im System ist der Spin der Rubidium-Atome, also ihr Eigendrehimpuls. Die Miniaturmaschinen bestehen aus einzelnen Caesium-Atomen; der notwendige Wärmeaustausch erfolgt beim Zusammenstoßen von Cäsium- und Rubidium-Atomen.

Ein Otto-Kreisprozess in der Quantenwelt

Den Forschern ist es mit Hilfe einer Analogie zu Wärmeaustausch und Kolbenbewebung gelungen, einen Otto-Kreisprozess in der Quantenwelt zu realisieren. Jens Nettersheim, Doktorand und Erstautor der Studie, erklärt den Vorgang: „Der Spin kann in zwei Richtungen erfolgen, aufwärts oder abwärts, was in unserem System heiß und kalt und damit den Wärmeunterschied repräsentiert.“

Wenn diese Spin-Austauschstöße stattfinden, kippen die Drehbewegungen des stoßenden Caesium und Rubidium-Atoms in die jeweils andere Richtung. Bei den ultrakalten Temperaturen können die Physiker die Richtung der Spin-Änderung in einzelnen Stößen kontrollieren. Die Bewegung des Kolbens, der die Energie umwandelt, haben die Forscher im System durch ein sich änderndes Magnetfeld ersetzt.

Die Herausforderung: Quanten-Fluktuationen kontrollierbar machen

Eine besondere Herausforderung des Forscherteams: Die Zustände von Quantenteilchen lassen sich im Allgemeinen nicht eindeutig bestimmen. Man kann die Teilchen zwar messen, aber nie sicher das Messergebnis einer einzelnen Messung vorhersagen.

Diese Fluktuationen führten bisher dazu, dass die Wissenschaft angezweifelt hat, dass eine Quanten-Wärmekraftmaschine eine konstante Leistung mit hoher Effizienz überhaupt liefern kann. Der Leiter des Projekts, Physikprofessor Dr. Artur Widera, erklärt: „Ich möchte grundsätzlich ausschließen, dass ein Motor unkontrollierbar zwischen verschiedenen Leistungsstufen hin und her fluktuiert.“

Zwar traten während der Spin-Austauschstöße diese Fluktuationen auf, das Forscherteam stellte aber folgendes fest: Mit der Zeit sättigt der Spin der Caesium-Atome. Sie verharren also nach einer gewissen Zeit in einem Zustand, Fluktuationen sind somit kontrollierbar. Verglichen mit klassischen thermischen Maschinen erreichen die Atome dabei einen höheren Anregungszustand.

Genau das ist der Schlüssel, um eine Quanten-Wärmekraftmaschine effizient betreiben zu können. Zusätzlich zum Vorteil der unterdrückten Fluktuationen können die Quantenmaschinen durch diesen Quantentrick in einem Umlauf sogar mehr Energie umsetzen, als es thermodynamisch mit heißen und kalten Bädern möglich ist.

Thermodynamik in der Quantenwelt

Die von den Forschenden entwickelte Quanten-Wärmekraftmaschine läuft verlässlich und entfaltet zugleich eine konstant hohe Leistung bei hoher Effizienz. Damit ist es Wideras Arbeitsgruppe gelungen, die Thermodynamik erfolgreich im Experiment mit der Quantenwelt zusammenbringen. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

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