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研究展现全球首个基于刘维尔奇异点拓扑量子热机
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/3/496741.shtm
《中国科学报》记者从中科院精密测量院获悉，该院冯芒研究团队与广州工业技术研究院、湖南师范大学、美国宾夕法尼亚州立大学等国内外研究机构合作，利用超冷40Ca+离子实验平台，实现了国际上首个基于刘维尔奇异点（LEP）的拓扑量子热机，并展现了其动力学行为。实验见证了“刘维尔奇异点所引起的拓扑性质可以增强量子热机的输出功和效率”，为深入探讨量子热机的新奇特性和应用潜力提供了重要的实验证据。该研究成果3月17日在线发表在国际期刊《物理评论快报》上。
超冷40Ca+离子实验平台。受访者供图
热机是利用工作物质从热库吸热并对外输出可用功的一类机械。最早的热机出现在18世纪中叶。二十一世纪后，得益于微纳加工技术和实验技术的迅猛发展，热机的尺寸也从厘米量级缩小到微纳量级，尤其是量子性质的引入有可能使热机的效率超越传统热机的最高效率。因此，探寻具有更高热机效率的微纳型量子体系不仅是一个科学前沿问题，更是一项技术挑战。由于量子热机循环过程中吸热、放热冲程都是通过工作物质与外部环境发生相互作用来完成，如何精准巧妙地操控工作物质的非厄米量子性质显得尤为重要。
在该实验中，研究人员运用离子阱量子操控技术实现了环绕与不环绕LEP的两类量子热机循环。离子阱系统是世界上公认的在相干时间，量子态制备、量子态操作、量子态测量等关键参数全面超过量子容错计算阈值的系统，是目前最有希望展现量子技术应用优越性的物理系统之一。冯芒研究团队长期致力于开发基于40Ca+离子的精密操控关键技术，不仅实现了对自旋量子态的精准操控，而且可以精确开合量子体系的耗散通道并调节耗散的大小，由此能够可控地展现非厄米量子系统的所有新奇特征。LEP的存在导致由破缺相到精确相的拓扑相变，但拓扑相变本身是否具有热力学效应却一直是悬而未决的问题。
为解决这一难题，研究人员首先借助单个超冷40Ca+离子的三能级结构，精准确定了LEP及其精确相和破缺相的实验参数；随后，通过调控外加光场的频率失谐量，实现了环绕与不环绕LEP的两类量子热机循环。实验所演示的量子热机包含等耗散压缩、等失谐加热、等耗散膨胀和等失谐冷却等四个冲程，其中，等耗散压缩处于破缺相，等耗散膨胀处于精确相。多次实验结果显示，不环绕LEP的量子热机循环有可能做负功；但环绕LEP的量子热机循环则始终做正功。基于严格的数据分析并与数值模拟比对，研究人员最终确认，LEP相关的拓扑性质具有热力学特性，可以应用于有效增强量子热机的输出功和效率。
该项研究在原子层次的非厄米量子体系中精确展现了国际上第一个基于刘维尔奇异点的拓扑性质的量子热机，见证了拓扑性质所带来的热力学效应。该研究的结论和所展现的技术有望应用于开发分子马达、纳米机器人等微型智能装置。
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