Princip kvantového motoru. Kredit: Mirijam Neve / OIST.

Motor je stroj, v němž se určitá forma energie přeměňuje na energii mechanickou, která zajistí pohyb. Může to být energie velmi různá, od potenciální energie až po jadernou energii. Pokud jde o spalovací motor, nejprve dojde ke stlačení a zažehnutí paliva, po něm následuje expanze, která zatlačí na píst a ten vyrábí mechanickou energii.

Thomas Busch. Kredit: OIST.

Kvantový inženýr Thomas Busch z japonské techniky Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) a jeho kolegové postavili motor, který je unikátní v tom, že namísto klasických energií využívá kvantovou mechaniku. Klíčovou roli v tomto pohonu hraje plyn, který se může měnit z fermionového plynu na bosonový plyn.

Stručně řečeno, fermiony jsou částice s poločíselným spinem a patří k nim třeba kvarky nebo elektrony, zatímco bosony mají celočíselný spin a zahrnují například fotony, bosony W a Z, gluony nebo populární Higgsovy bosony. V kvantovém motoru hraje významnou roli i další rozdíl, který spočívá v tom, že Pauliho vylučovací princip platí jen pro fermiony. Podle tohoto principu se v jednom kvantovém stavu nemohou nacházet dva fermiony s identickými kvantovými čísly.

Logo. Kredit: OIST.

Pauliho princip je nekompromisní. Fermiony jsou kvůli němu dost antisociální a navzájem se odpuzují. Naproti tomu bosony mají mazlivou povahu a mohou se těsně přimknout. Při dostatečném ochlazení vytvoří známý Boseho-Einsteinův kondenzát, v němž bosony fungují jako jediná kvantově mechanická entita.

Pokud jde o kvantový motor, badatelé využili extrémně zchlazené atomy lithia a jev zvaný Feshbachova rezonance. Když je tento exotický materiál ve stavu bosonového plynu, vytvoří Boseho-Einsteinův kondenzát, který má malý objem a píst je vysunutý. Po změně na fermionový plyn materiál zvětší objem a stlačí píst.

Jak uvádí Busch, v souvislosti s Feshbachovou rezonancí se fermionový plyn mění na bosonový plyn tak, že se vždy dva fermiony spojí dohromady a vytvoří tím boson. Ten se zase poté rozpadne na dva fermiony. Když se tohle děje stále dokola, kvantový motor pracuje, aniž by přímo potřeboval teplo nebo něco podobného. Jiná věc je samozřejmě nezbytné chlazení.

Tým vyzkoušel kvantový motor v experimentu a dosáhl 25procentní účinnosti. Není to sice hvězdné, ale taky to není úplně špatné. Budoucí varianty kvantového motoru by mohly být i podstatně lepší. Badatelé nezastírají, že ještě bude nutné překonat mnoho technologických obtíží, než bude takový motor prakticky využitelný. V neposlední řadě je nutné udržovat velmi nízkou teplotu, což vede ke značným energetickým ztrátám. Každopádně je to ale úplně nová technologie, se kterou si teď můžeme důkladně pohrát.

Literatura

IFL Science 6. 10. 2023.

Nature 621: 723–727.