Mekanik kuantum ialah cabang fizik yang meneroka sifat dan interaksi zarah pada skala yang sangat kecil, seperti atom dan molekul. Ini telah membawa kepada pembangunan teknologi baharu yang lebih berkuasa dan cekap berbanding dengan rakan sejawat konvensional mereka, menyebabkan kejayaan dalam bidang seperti pengkomputeran, komunikasi dan tenaga.
Di Institut Sains Okinawa dan Teknologi (OIST), penyelidik di Unit Sistem Kuantum telah bekerjasama dengan saintis dari Universiti Kaiserslautern-Landau dan Universiti Stuttgart untuk mereka bentuk dan membina enjin yang berdasarkan peraturan khas yang dipatuhi oleh zarah pada skala yang sangat kecil.
Mereka telah membangunkan enjin yang menggunakan prinsip mekanik kuantum untuk mencipta kuasa, bukannya cara biasa membakar bahan api. Kertas kerja yang menerangkan keputusan ini dikarang bersama oleh penyelidik OIST Keerthy Menon, Dr. Eloisa Cuestas, Dr. Thomas Fogarty dan Prof. Thomas Busch dan telah diterbitkan dalam jurnal Alam.
Dalam enjin kereta klasik, biasanya campuran bahan api dan udara dinyalakan di dalam ruang. Letupan yang terhasil memanaskan gas di dalam ruang, yang seterusnya menolak omboh masuk dan keluar, menghasilkan kerja yang memusingkan roda kereta.
Dalam enjin kuantum mereka, saintis telah menggantikan penggunaan haba dengan perubahan sifat kuantum zarah dalam gas. Untuk memahami bagaimana perubahan ini boleh menggerakkan enjin, kita perlu tahu bahawa semua zarah dalam alam semula jadi boleh diklasifikasikan sebagai sama ada boson atau fermion, berdasarkan ciri kuantum khasnya.
Pada suhu yang sangat rendah, di mana kesan kuantum menjadi penting, boson mempunyai keadaan tenaga yang lebih rendah daripada fermion, dan perbezaan tenaga ini boleh digunakan untuk menggerakkan enjin. Daripada memanaskan dan menyejukkan gas secara kitaran seperti enjin klasik, enjin kuantum berfungsi dengan menukar boson kepada fermion dan kembali semula.
"Untuk menukar fermion menjadi boson, anda boleh mengambil dua fermion dan menggabungkannya menjadi molekul. Molekul baru ini ialah boson. Memecahkannya membolehkan kita mendapatkan semula fermion. Dengan melakukan ini secara kitaran, kami boleh menghidupkan enjin tanpa menggunakan haba,” jelas Prof. Thomas Busch, ketua Unit Sistem Kuantum.
Walaupun enjin jenis ini hanya berfungsi dalam rejim kuantum, pasukan itu mendapati kecekapannya agak tinggi dan boleh mencapai sehingga 25% dengan persediaan eksperimen semasa yang dibina oleh kolaborator di Jerman.
Enjin baharu ini merupakan perkembangan yang menarik dalam bidang mekanik kuantum dan berpotensi untuk membawa kepada kemajuan selanjutnya dalam bidang teknologi kuantum yang sedang berkembang. Tetapi adakah ini bermakna kita tidak lama lagi akan melihat mekanik kuantum menjana kuasa enjin kereta kita? "Walaupun sistem ini boleh menjadi sangat cekap, kami hanya melakukan pembuktian konsep bersama-sama dengan kolaborator percubaan kami," jelas Keerthy Menon. "Masih terdapat banyak cabaran dalam membina enjin kuantum yang berguna."
Haba boleh memusnahkan kesan kuantum jika suhu menjadi terlalu tinggi, jadi penyelidik mesti memastikan sistem mereka sedingin mungkin. Walau bagaimanapun, ini memerlukan sejumlah besar tenaga untuk menjalankan eksperimen pada suhu rendah ini untuk melindungi keadaan kuantum yang sensitif.
Langkah seterusnya dalam penyelidikan akan melibatkan menangani soalan teori asas tentang operasi sistem, mengoptimumkan prestasinya dan menyiasat potensi kebolehgunaannya pada peranti lain yang biasa digunakan, seperti bateri dan penderia.