科研進(jìn)展
精密測量院成功實現(xiàn)基于非厄米體系奇異點的拓?fù)淞孔訜釞C(jī)
近日,精密測量院馮芒研究團(tuán)隊與廣州工業(yè)技術(shù)研究院、湖南師范大學(xué)、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)等國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)合作,利用超冷40Ca+離子實驗平臺(見圖一),實驗實現(xiàn)了國際上首個基于劉維爾奇異點的拓?fù)淞孔訜釞C(jī)并展現(xiàn)了其動力學(xué)行為。該熱機(jī)的工作物質(zhì)是一個開放的(非厄米)單比特量子體系,這樣的體系中存在本征能量的簡并點(即本征態(tài)和本征能量塌縮到一點),稱為“劉維爾奇異點”(LEP)。研究團(tuán)隊通過改變量子熱機(jī)做功沖程的變頻范圍,對比環(huán)繞與不環(huán)繞LEP的兩類熱機(jī)循環(huán),實驗見證了“劉維爾奇異點所引起的拓?fù)湫再|(zhì)可以增強(qiáng)量子熱機(jī)的輸出功和效率”,為深入探討量子熱機(jī)的新奇特性和應(yīng)用潛力提供了重要的實驗證據(jù)。該研究成果2023年3月17日在線發(fā)表在國際著名期刊《物理評論快報》上。
超冷40Ca+離子實驗平臺,囚禁離子的離子阱處于磁屏蔽裝置(即照片后方銀白色的金屬箱子)保護(hù)中。
其余的光學(xué)設(shè)備用以輔助激光系統(tǒng)操作離子,完成量子熱機(jī)所需的各個沖程
熱機(jī)是利用工作物質(zhì)從熱庫吸熱并對外輸出可用功的一類機(jī)械。最早的熱機(jī)出現(xiàn)在18世紀(jì)中葉。隨后,英國工程師瓦特對蒸汽型熱機(jī)的改良促成了第一次工業(yè)革命的實現(xiàn),人類從此邁入工業(yè)化時代。進(jìn)入二十一世紀(jì),得益于微納加工技術(shù)和實驗技術(shù)的迅猛發(fā)展,熱機(jī)的尺寸也從厘米量級縮小到微納量級,尤其是量子性質(zhì)的引入有可能使熱機(jī)的效率超越傳統(tǒng)熱機(jī)的最高效率。因此,探尋具有更高熱機(jī)效率的微納型量子體系不僅是一個科學(xué)前沿問題,更是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。由于量子熱機(jī)循環(huán)過程中吸熱、放熱沖程都是通過工作物質(zhì)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用來完成,如何精準(zhǔn)巧妙地操控工作物質(zhì)的非厄米量子性質(zhì)顯得尤為重要。
在該實驗中,研究人員運用離子阱量子操控技術(shù)實現(xiàn)了環(huán)繞與不環(huán)繞LEP的兩類量子熱機(jī)循環(huán)。離子阱系統(tǒng)是世界上公認(rèn)的在相干時間,量子態(tài)制備、(單比特和兩比特)量子態(tài)操作、量子態(tài)測量等關(guān)鍵參數(shù)全面超過量子容錯計算閾值的系統(tǒng),是目前最有希望展現(xiàn)量子技術(shù)應(yīng)用優(yōu)越性的物理系統(tǒng)之一。馮芒研究團(tuán)隊長期致力于開發(fā)基于40Ca+離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù),不僅實現(xiàn)了對自旋量子態(tài)的精準(zhǔn)操控,而且可以精確開合量子體系的耗散通道并調(diào)節(jié)耗散的大小,由此能夠可控地展現(xiàn)非厄米量子系統(tǒng)的所有新奇特征。該團(tuán)隊去年曾報道了利用LEP來調(diào)控量子熱機(jī)的可能性,展現(xiàn)了不同沖程中的量子相干性對熱機(jī)的功輸出和效率有重要影響 [見 Nature Communications 13,6625 (2022)]。LEP的存在導(dǎo)致由破缺相到精確相的拓?fù)湎嘧?,但拓?fù)湎嘧儽旧硎欠窬哂袩崃W(xué)效應(yīng)卻一直是懸而未決的問題。
實驗數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的輸出凈功變化
(a,b)環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的激發(fā)態(tài)布居數(shù)隨時間的變化。(c,d)不環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的激發(fā)態(tài)布居數(shù)隨時間的變化。(e,f)環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的凈功變化。(e,f)不環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的凈功變化。圖中,綠色線條和陰影區(qū)域代表處于破缺相的等耗散壓縮,紅色線條和陰影區(qū)域則代表處于嚴(yán)格相的等耗散膨脹
本項工作中,研究人員首先借助單個超冷40Ca+離子的三能級結(jié)構(gòu),精準(zhǔn)地確定了LEP及其精確相和破缺相的實驗參數(shù);隨后,通過調(diào)控外加光場的頻率失諧量,實現(xiàn)了環(huán)繞與不環(huán)繞LEP的兩類量子熱機(jī)循環(huán)。實驗所演示的量子熱機(jī)包含等耗散壓縮、等失諧加熱、等耗散膨脹和等失諧冷卻等四個沖程,其中,等耗散壓縮處于破缺相,等耗散膨脹處于精確相(見圖二)。多次實驗的結(jié)果顯示,不環(huán)繞LEP的量子熱機(jī)循環(huán)有可能做負(fù)功;但環(huán)繞LEP的量子熱機(jī)循環(huán)則始終做正功(見圖三)。基于嚴(yán)格的數(shù)據(jù)分析并與數(shù)值模擬比對,研究人員最終確認(rèn),LEP相關(guān)的拓?fù)湫再|(zhì)具有熱力學(xué)特性,可以應(yīng)用于有效增強(qiáng)量子熱機(jī)的輸出功和效率。
環(huán)繞和不環(huán)繞LEP的凈功輸出。
(a) 環(huán)繞LEP的熱機(jī)循環(huán)不僅確保熱機(jī)循環(huán)始終輸出正功,而且可以增強(qiáng)凈功輸出。(b) 不環(huán)繞LEP的熱機(jī)循環(huán)的輸出功有正有負(fù)
該項研究在原子層次的非厄米量子體系中精確展現(xiàn)了國際上第一個基于劉維爾奇異點的拓?fù)湫再|(zhì)的量子熱機(jī),見證了拓?fù)湫再|(zhì)所帶來的熱力學(xué)效應(yīng)。該研究的結(jié)論和所展現(xiàn)的技術(shù)有望應(yīng)用于開發(fā)分子馬達(dá)、納米機(jī)器人等微型智能裝置。該研究也第一次揭示了Landau – Zener -Stückelberg過程、拓?fù)湎嘧兒土孔訜釞C(jī)效率三者之間的特殊關(guān)系,其更深刻的物理意義有待進(jìn)一步探討。
論文的共同第一作者為精密測量院博士卜錦濤、副研究員張建奇和博士丁戈弋,通訊作者是精密測量院副研究員周飛、湖南師范大學(xué)教授景輝、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Ozdemir 和精密測量院研究員馮芒。
該研究得到國家自然科學(xué)基金重點項目、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項和廣州市重點實驗室等項目的資助。
論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.110402