Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een theoretisch raamwerk ontwikkeld dat twee natuurkundige theorieën met elkaar verzoent die op het eerste gezicht onverenigbaar lijken: de negentiende-eeuwse thermodynamica en de kwantumfysica. In het vakblad Physical Review Letters laat de groep van professor Patrick Potts zien hoe je bij een minuscule machine — bestaande uit slechts één atoom en lichtdeeltjes — consistent kunt bepalen wat warmte is en wat bruikbare arbeid. Het werk sluit een kloof tussen de volledig kwantummechanische beschrijving en de zogeheten semiklassieke grens, waarin een deel van het systeem klassiek mag worden behandeld.
- Basel-fysici koppelen de thermodynamica van atoom en fotonen aan de klassieke natuurkunde.
- Hun aanpak beschouwt een deel van het ontsnappende licht als bruikbare arbeid, niet als afvalwarmte.
- De methode voorspelt correct hoe kwantumeffecten de fluctuaties van lichtdeeltjes verminderen.
De vraag die de onderzoekers stellen klinkt bedrieglijk eenvoudig: wat is warmte, en wat is nuttig werk, als een machine alleen uit een atoom en lichtdeeltjes bestaat? In moderne kwantumtechnologie komt die vraag steeds vaker terug. Kleine systemen van atomen en fotonen kunnen namelijk energie opnemen, omzetten en weer afgeven — en functioneren daarmee als piepkleine kwantummachines.
Twee theorieën die eeuwen uit elkaar ontstonden
De thermodynamica werd in de negentiende eeuw ontwikkeld om de werking van grote stoommachines te verklaren. De kwantumfysica ontstond pas aan het begin van de twintigste eeuw en beschrijft de eigenschappen van atomen en subatomaire deeltjes. Dat zijn heel verschillende werelden. Toch komen beide theorieën in de huidige kwantumtechnologie opnieuw samen, omdat ook de allerkleinste systemen energie kunnen verwerken.
De uitdaging voor natuurkundigen is een beschrijving te vinden die zowel voor een volledig kwantummechanisch systeem werkt als in de semiklassieke grens.
In die semiklassieke grens wordt één deel van het systeem kwantummechanisch behandeld, terwijl voor het andere deel de klassieke natuurkunde volstaat. Idealiter moet dat grensgeval consistent afleidbaar zijn uit de volledige kwantumbeschrijving — precies het punt waarop de Basel-groep zich richt.
Een atoom als lichtmotor tussen twee spiegels
Voor hun berekeningen gebruikten de wetenschappers een klassiek modelvoorbeeld: een atoom in een trilholte tussen twee spiegels, waar het lichtdeeltjes kan opnemen en uitzenden. “Een laser pompt voortdurend extra fotonen in de holte, terwijl licht via de deels doorlatende spiegels naar buiten kan ontsnappen”, legt postdoc Marcelo Janovitch uit. Het gaat volgens hem om een schoolvoorbeeld van een zogenoemd aangedreven-dissipatief systeem, dat continu energie ontvangt en tegelijk verliest aan zijn omgeving. Het atoom gedraagt zich daarbij als een minuscule warmtemotor — of, in dit geval, een “lichtmotor”.
Eerder toonde de groep al aan dat het licht dat uit de holte ontsnapt niet zonder meer als “afvalwarmte” mag worden gezien. Een deel van die energie kan namelijk nog nuttig werk verrichten op een ander kwantumsysteem. In de nieuwe studie onderzochten de wetenschappers hoe dat onderscheid tussen warmte en bruikbare energie doorwerkt in de semiklassieke grens.
Waarom de conventionele methode tekortschiet
Janovitch en collega’s konden wiskundig aantonen dat hun aanpak — waarin een deel van het uitgezonden licht als arbeid wordt geteld — zonder problemen naar de semiklassieke grens kan worden gebracht. De conventionele methode, die alle ontsnappende energie als warmte beschouwt, lukt dat niet. “Het licht klassiek behandelen maakt het veel eenvoudiger om te bepalen welk deel van de energie werk kan verrichten en welk deel ongeordende warmte is”, aldus Janovitch.
Daarnaast voorspellen de berekeningen correct hoe kwantumeffecten leiden tot een vermindering van de fluctuaties in de lichtdeeltjes. Juist die gereduceerde fluctuaties zijn interessant voor toepassingen: ze maken het mogelijk om warmte — normaal een bron van verstoring in kwantumsystemen — als hulpmiddel in te zetten. Zo kunnen bijzondere lichttoestanden worden gecreëerd die geschikt zijn voor uiterst nauwkeurige metingen in de kwantummetrologie.
Voor het bredere veld van de kwantumtechnologie betekent dit dat de brug tussen de klassieke en de kwantumbeschrijving van thermodynamica steviger wordt. Dat is van belang omdat onderzoekers wereldwijd werken aan quantumcomputers, sensoren en meetinstrumenten waarbij het beheersen van warmte en ruis een cruciale rol speelt.
Kan zulk fundamenteel onderzoek naar de grens tussen warmte en arbeid de weg banen naar preciezere kwantumsensoren? Laat weten wat u ervan denkt.
