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B R E N N P U N K T
© 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Physik Journal 15 (2016) Nr. 3
19
Prof. Dr. Ferdinand
Schmidt-Kaler
,
QUANTUM, Institut
für Physik, Univer-
sität Mainz und
Prof.
Dr. Eric Lutz
, Institut
für Theoretische Phy-
sik II, Uni Erlangen-
Nürnberg
Gesetze der Thermodynamik
eigentlich zulassen! Solche Fluktua-
tionen des Wirkungsgrades sind ein
hochaktuelles Forschungsthema
[3]
.
Das vorgestellte Experiment erlaubt
es, die Theorien der Nichtgleichge-
wichtsthermodynamik zu überprü-
fen. Im Langzeit-Mittel gelten aber
auch für diese Mikromaschine die
Hauptsätze der Thermodynamik,
und ihr Wirkungsgrad nimmt den
klassisch erwarteten Wert an.
In Zukunft könnten Experi-
mente wie dieses dabei helfen,
Maschinen zu konstruieren, die auf
der molekularen Skala nützliche
Arbeit verrichten. Eine faszinie-
rende Aussicht sind mechanische
Nano-Roboter, die auf solchen
Prozessen basieren und wichtige
Transportaufgaben innerhalb der
Zellen übernehmen könnten. Ob-
wohl das sehr nach Science-Fiction
klingt, gibt es dazu bereits erste er-
folgreiche Experimente
[4]
.
Ein weiterer Aspekt zukünftiger
Forschung liegt in der Untersu-
chung von Wärmekraftmaschi-
nen in der Quantenphysik. In
theoretischen Arbeiten wurde
vorgeschlagen, die Leistung einer
Wärmekraftmaschine durch die
Kopplung an ein Quantenbad zu
steigern. Dies können etwa kohä-
rente, gequetschte oder nichtklas-
sisch-korrelierte Bäder
[5]
sein, die
z. B. überlagerte oder verschränkte
Zustände aufweisen. So bieten sich
vielfältige Möglichkeiten, über die
Paradigmen der klassischen Ther-
modynamik hinauszugehen und
neuartige Motoren zu bauen.
Quantenbäder zwingen uns
ebenfalls, einen genaueren Blick
auf die Grundlagen thermodyna-
mischer Größen zu werfen, ins-
besondere die der Entropie. Eine
interessante Verbindung zwischen
Thermodynamik und Quantenfeh-
lerkorrektur ist das algorithmische
Kühlen, bei dem einem System
Entropie entzogen wird
[6]
. Für ei-
ne experimentelle Umsetzung von
Quanten-Wärmekraftmaschinen
ist eine ausgezeichnete Kontrolle
von System und Bad unabdingbar.
Daher eignen sich dafür vermutlich
Ionenkristalle in Paul-Fallen
[7]
oder nanomechanische Oszillatoren
höchster Güte
[8]
besonders gut.
Ferdinand Schmidt-Kaler
und Eric Lutz
[1]
I. A. Martínez
et al., Nature Phys.
12
, 67
(2015)
[2]
V. Blickle
und
C. Bechinger
, Nature
Phys.
8
, 143 (2012)
[3]
G. Verley
et al., Nature Comm.
5
, 4721
(2014);
M. Polettini, G. Verley
und
M. Es-
posito
, Phys. Rev. Lett.
114
, 050601 (2015)
[4]
S. M. Douglas, I. Bachelet
und
G. M.
Church
, Science
335
, 831 (2012)
[5]
M. O. Scully
et al., Science
299
, 862
(2003);
J. Roßnagel
et al., Phys. Rev. Lett.
112
, 03602 (2014);
R. Dillenschneider
und
E. Lutz
, Europhys. Lett.
88
, 50003
(2009)
[6]
J. Baugh
et al., Nature
438
, 470 (2005)
[7]
D. Leibfried
et al., Rev. Mod. Phys.
75
,
281 (2003);
O. Abah
et al., Phys. Rev.
Lett.
109
, 203006 (2012)
[8]
M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg
und
F. Marquardt
, Rev. Mod. Phys.
86
, 1391
(2014);
A. Dechant, N. Kiesel
und
E.
Lutz
, Phys. Rev. Lett.
114
, 183602 (2015)
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