Cơ học lượng tử là một nhánh của vật lý khám phá các tính chất và tương tác của các hạt ở quy mô rất nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử và phân tử. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của các công nghệ mới mạnh mẽ và hiệu quả hơn so với các công nghệ thông thường, tạo ra những đột phá trong các lĩnh vực như điện toán, truyền thông và năng lượng.
Tại Viện Khoa học Okinawa Công nghệ (OIST), các nhà nghiên cứu tại Đơn vị Hệ thống Lượng tử đã hợp tác với các nhà khoa học từ Đại học Kaiserslautern-Landau và Đại học Stuttgart để thiết kế và chế tạo một động cơ dựa trên các quy luật đặc biệt mà các hạt tuân theo ở quy mô rất nhỏ.
Họ đã phát triển một loại động cơ sử dụng nguyên lý cơ học lượng tử để tạo ra năng lượng, thay vì cách đốt nhiên liệu thông thường. Bài báo mô tả những kết quả này được đồng tác giả bởi các nhà nghiên cứu OIST Keerthy Menon, Tiến sĩ Eloisa Cuestas, Tiến sĩ Thomas Fogarty và Giáo sư Thomas Busch và đã được công bố trên tạp chí Thiên nhiên.
Trong động cơ ô tô cổ điển, hỗn hợp nhiên liệu và không khí thường được đốt cháy bên trong buồng. Vụ nổ xảy ra làm nóng khí trong buồng, từ đó đẩy một pít-tông vào và ra, tạo ra công làm quay các bánh xe ô tô.
Trong động cơ lượng tử của mình, các nhà khoa học đã thay thế việc sử dụng nhiệt bằng sự thay đổi bản chất lượng tử của các hạt trong khí. Để hiểu sự thay đổi này có thể cung cấp năng lượng cho động cơ như thế nào, chúng ta cần biết rằng tất cả các hạt trong tự nhiên có thể được phân loại thành boson hoặc fermion, dựa trên các đặc tính lượng tử đặc biệt của chúng.
Ở nhiệt độ rất thấp, nơi các hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng, boson có trạng thái năng lượng thấp hơn fermion và sự chênh lệch năng lượng này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ. Thay vì làm nóng và làm mát khí theo chu kỳ giống như động cơ cổ điển, động cơ lượng tử hoạt động bằng cách biến đổi boson thành fermion và ngược lại.
“Để biến fermion thành boson, bạn có thể lấy hai fermion và kết hợp chúng thành một phân tử. Phân tử mới này là một boson. Việc phá vỡ nó cho phép chúng ta lấy lại các fermion. Bằng cách thực hiện điều này theo chu kỳ, chúng tôi có thể cung cấp năng lượng cho động cơ mà không cần sử dụng nhiệt”, Giáo sư Thomas Busch, lãnh đạo Đơn vị Hệ thống Lượng tử giải thích.
Mặc dù loại động cơ này chỉ hoạt động ở chế độ lượng tử nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy hiệu suất của nó khá cao và có thể đạt tới 25% với cơ cấu thử nghiệm hiện tại do các cộng tác viên ở Đức xây dựng.
Động cơ mới này là một sự phát triển thú vị trong lĩnh vực cơ học lượng tử và có tiềm năng dẫn đến những tiến bộ hơn nữa trong lĩnh vực công nghệ lượng tử đang phát triển. Nhưng điều này có nghĩa là chúng ta sẽ sớm thấy cơ học lượng tử cung cấp năng lượng cho động cơ ô tô của chúng ta? Keerthy Menon giải thích: “Mặc dù các hệ thống này có thể đạt hiệu quả cao nhưng chúng tôi chỉ thực hiện bằng chứng khái niệm cùng với các cộng tác viên thử nghiệm của mình”. “Vẫn còn nhiều thách thức trong việc xây dựng một động cơ lượng tử hữu ích.”
Nhiệt có thể phá hủy các hiệu ứng lượng tử nếu nhiệt độ lên quá cao, vì vậy các nhà nghiên cứu phải giữ cho hệ thống của họ càng lạnh càng tốt. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi một lượng năng lượng đáng kể để thực hiện thí nghiệm ở những nhiệt độ thấp này nhằm bảo vệ trạng thái lượng tử nhạy cảm.
Các bước tiếp theo trong nghiên cứu sẽ liên quan đến việc giải quyết các câu hỏi lý thuyết cơ bản về hoạt động của hệ thống, tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống và điều tra khả năng ứng dụng tiềm năng của nó cho các thiết bị được sử dụng phổ biến khác, như pin và cảm biến.