近日，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授武海斌團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了微納尺度光力振子的隨機(jī)光力熱機(jī)，利用強(qiáng)耦合條件下簡(jiǎn)正模式為熱機(jī)的工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了單缸隨機(jī)熱機(jī)，發(fā)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)對(duì)做功的重要性，更重要的是實(shí)現(xiàn)了雙缸隨機(jī)光力熱機(jī)，對(duì)在小體系下研究隨機(jī)和量子熱機(jī)具有重要意義。該成果近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

傳統(tǒng)熱機(jī)將化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外做功。近年來，基于光力學(xué)的熱機(jī)具有極大優(yōu)勢(shì)，能夠在量子區(qū)域進(jìn)行深入操作。然而，實(shí)現(xiàn)光學(xué)和力學(xué)振子的強(qiáng)耦合以及精確調(diào)控具有挑戰(zhàn)性，很難實(shí)現(xiàn)光力學(xué)熱機(jī)。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中通過在光學(xué)腔內(nèi)放置兩片納米尺度的氮化硅薄膜，利用腔內(nèi)光場(chǎng)的輻射壓力實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微納機(jī)械振子的強(qiáng)耦合。兩片光力振子具有各自獨(dú)立的熱庫環(huán)境，通過同時(shí)控制振子頻率和熱庫，利用系統(tǒng)的本征模式作為做功媒介，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)Otto循環(huán)熱機(jī)，包括絕熱膨脹、低溫?zé)峄?、絕熱壓縮和高溫?zé)峄膫€(gè)沖程。通過對(duì)兩個(gè)微納振子運(yùn)動(dòng)模式的實(shí)時(shí)測(cè)量，得到本征模式的實(shí)時(shí)聲子數(shù)，分析了單缸Otto熱機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)和做功效率。

同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)兩個(gè)力學(xué)振子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)在做功沖程中十分重要。研究人員表示，耦合光力系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢(shì)，通過精確調(diào)控耦合系統(tǒng)的本征模式，使兩支本征模式在一個(gè)熱機(jī)循環(huán)中交替做功，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了雙缸隨機(jī)熱機(jī)。

該實(shí)驗(yàn)可推廣到更為復(fù)雜的熱機(jī)陣列，有助于研究有限時(shí)間量子熱力學(xué)以及進(jìn)一步提高輸出功率和做功效率。(黃辛)

關(guān)鍵詞： 華東師范大學(xué) 光力學(xué)隨機(jī)熱機(jī) 微納尺度光力振子 單缸隨機(jī)熱機(jī)