Het resonatorexperiment in overzicht, waarbij J staat voor ‘warmte’ en P voor ‘arbeid’ (afb: Aron Daniel et al./Physical Review Letters)

Meer dan 200 jaar geleden liet graaf Rumford (Benjamin Thompson) zien dat warmte geen mysterieuze substantie is, maar iets dat je eindeloos kunt genereren door beweging. Dat inzicht legde de basis voor de thermodynamica, de regels die energie, werk en wanorde beheersen. Thermodynamica had al een relatie met de kwantummechanica gekregen volgens de Wikipedia, maar nu maken onderzoekers die relatie nog inniger.
In 1798 zag de Amerikaanse natuurkundige, boerenzoon en vrouwenversierder Benjamin Thompson (later in Beieren in de adelstand verheven) iets opmerkelijks terwijl hij toekeek hoe kanonlopen werden geboord in München. Het metaal warmde tijdens het proces voortdurend op, wat hem tot de conclusie bracht dat warmte geen fysieke substantie is, zoals destijds gedacht werd. In plaats daarvan kan warmte eindeloos worden opgewekt door, onder meer, wrijving.
Om dit idee te toetsen plaatste Thomson de kanonslopen in water en bepaalde hoe lang het duurde voordat het water kookte. Uit zijn metingen bleek dat beweging alleen al grote hoeveelheden warmte kon genereren. Experimenten als deze legden de basis voor de thermodynamica in de 19e eeuw, maar de Wikipedia zwijgt over zijn rol bij het ontstaan van dat vakgebied. Aanvankelijk speelde dit een sleutelrol in de industriële revolutie door een verklaring te geven hoe warmte efficiënt kon worden omgezet in arbeid, zoals het aandrijven van machines.
Tegenwoordig behoren de wetten van de thermodynamica tot de basiskennis voor wetenschappers. Ze stellen dat in een gesloten systeem de totale hoeveelheid energie hetzelfde blijft, of het nu warmte of arbeid is. Ze beschrijven ook entropie, een maatstaf voor wanorde, die in de loop van de tijd nooit afneemt.

Hoewel deze principes gelden in alledaagse situaties, ontstaan ​​er problemen wanneer wetenschappers ze proberen toe te passen op extreem kleine systemen die worden beheerst door de kwantummechanica. Op die schaal beginnen bekende ideeën over hitte en werk te vervagen. Patrick Potts en collega’s hebben nu een benadering ontwikkeld voor het definiëren van thermodynamische grootheden voor bepaalde kwantumsystemen.
“Het probleem dat we hebben met de thermodynamische beschrijving van kwantumsystemen is dat in dergelijke systemen alles microscopisch is”, legt promovendus Aaron Daniel uit. “Dat betekent dat het onderscheid tussen arbeid, macroscopische energie, en warmte, ongeordende microscopische beweging, niet langer eenvoudig is.”

Om deze uitdaging te onderzoeken, bestudeerden de onderzoekers holteresonatoren. Die systemen vangen (laser)licht op tussen twee spiegels, waardoor het licht heen en weer stuitert voordat een deel ervan uiteindelijk ontsnapt.

Synchroon

Laserlicht verschilt van het licht dat door lampen of leds wordt geproduceerd, omdat daarin de elektromagnetische golven volmaakt synchroon bewegen. Wanneer laserlicht door een holte gevuld met atomen reist, kan deze synchronisatie, bekend als coherentie, worden verstoord. Als gevolg daarvan kan het licht geheel of gedeeltelijk ‘onsamenhangend’ worden (wat overeenkomt met de ongeordende beweging van deeltjes). “De coherentie van het licht in zo’n laserkooisysteem was het uitgangspunt van onze berekeningen”, zegt een andere medeonderzoeker Max Schrauwen.
De onderzoekers begonnen met te verduidelijken wat arbeid betekent voor laserlicht. Een voorbeeld is het vermogen om een ​​zogeheten kwantumbatterij op te laden, waarvoor coherent licht nodig is dat atomen gezamenlijk in een aangeslagen toestand kan brengen. Een eenvoudige veronderstelling zou zijn dat het binnenkomende coherente licht arbeid verricht, terwijl het uitgaande licht, nadat het enige coherentie heeft verloren, warmte vertegenwoordigt.

De situatie is echter subtieler. Zelfs licht dat gedeeltelijk incoherent is geworden, kan nog steeds nuttige arbeid verrichten, alleen minder effectief dan volledig coherent licht. Daniel en zijn collega’s onderzochten wat er gebeurt als alleen het coherente deel van het uittredende licht als arbeid wordt geteld, terwijl het ‘onsamenhangende’ deel als warmte wordt behandeld. Met deze definitie blijven beide wetten van de thermodynamica geldig, wat aantoont dat het raamwerk zelfconsistent is.

Gevolgen

Daniel: “In de toekomst kunnen we ons formalisme gebruiken om subtielere problemen in de kwantumthermodynamica te overwegen.” Deze aanpak zou waardevol kunnen zijn voor opkomende kwantumtechnologieën, waaronder kwantumnetwerken. Het kan wetenschappers ook helpen beter te begrijpen hoe bekend klassiek gedrag voortkomt uit de onderliggende kwantumwereld.

Bron: Science Daily