Čeští a izraelští vědci potvrdili platnost termodynamických zákonů i pro mikroskopické systémy složené z fotonů a optických vláken. Energie částic světla se v něm přesunula z jednoho optického vlákna do jiného. Je to zatím nejmenší známý systém, u kterého byl transfer energie popsaný termodynamickými zákony pozorován. Výsledky společného výzkumu expertů z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a izraelských vědců z Weizmannova institutu publikoval prestižní časopis Science Advances.
„V našem výzkumu jsme se zaměřili na to, jak malý může být nejmenší možný systém, který se chová jako tepelný stroj. Toto téma je totiž nyní aktuální zejména kvůli rozvoji kvantové informatiky a metrologie,“ uvedl Tomáš Opatrný. Projevy zákonů termodynamiky jsou snadno pozorovatelné v makrosvětě, například v případě mechanických zařízení v mikrosvětě jejich detekce už tak snadná není.
Každý tepelný stroj, jako je motor automobilu či turbína elektrárny, přeměňuje dodané teplo na práci. Pokud má ale tepelný stroj fungovat, potřebuje nejen zdroj tepla, ale i chladnější okolí, do kterého musí být část tepla odvedena. Součástí jaderných či tepelných elektráren jsou proto mohutné chladicí věže, automobily mají zase chladiče. Ve všech těchto případech se jedná o přeměnu energie z neuspořádaného pohybu molekul či jiných mikroskopických částic na řádný pohyb, jako je například točení kol automobilu nebo rotoru turbíny.
Tepelný stroj tak koncentruje energii původně rozptýlenou mezi mnoho částic do jednoho způsobu pohybu – takzvaného módu. Neuspořádanost systému ale nelze zničit, lze ji pouze „přestěhovat“ jinam. „Při roztáčení kola se „nepořádek“ z pohybu horkých molekul přestěhuje do chladiče. Molekuly chladicího prostředí se začnou pohybovat rychleji a z chladicí věže stoupá oblak páry,“ podotkl Tomáš Opatrný.
Ve všech těchto případech se ovšem jedná o systémy složené z obrovského množství molekul, jejichž počet odpovídá číslům, u kterých za jedničkou následuje 23 i více nul. Vědci se proto rozhodli zjistit, zda a jak platí zákony termodynamiky v případě mikroskopických systémů složených jen z několika málo atomů či fotonů. Odborníci proto navrhli sestrojit optické zařízení, kde „ohřívačem” dodávajícím systému energii jsou fotony proudící pouze dvěma optickými vlákny. Další dvě prázdná optická vlákna v systému slouží jako pomyslný chladič.
„Zjistili jsme, že pomocí působení, kterému se v optice říká kerrovská nelinearita, zde může dojít k přesunu části energie z jednoho ‚horkého‘ vlákna, kterým proudí fotony, do tří zbývajících vláken. Na tom, že přejde část energie z ‚horkého‘ na ‚studené‘, není nic zvláštního. Zároveň se ale v tomto případě může stát i opak, kdy druhé ‚horké‘ vlákno s fotony se díky přenosu energie z prvního vlákna může zahřát ještě více, než bylo na počátku. Dochází tak ke koncentraci energie podobně jako v tepelném stroji. Naše optické zařízení je nejmenší dosud známý systém, u kterého k takovémuto energetickému přesunu může dojít,“ řekl Šimon Bräuer, doktorand na katedře optiky a spoluautor článku.
Olomoučtí fyzici do tohoto vědeckého projektu přispěli zejména původním nápadem, koncepčním návrhem a analytickými i numerickými výpočty. Práce izraelských vědců byla zaměřena na návrhy konkrétních fyzikálních systémů, které by mohly zprostředkovávat potřebné kerrovské nelinearity, zejména atomární páry s takzvanými Rydbergovými atomy. „Jedná se o atomy, u nichž jsou elektrony vybuzeny tak, že obíhají v mnohem větších vzdálenostech od jader, než je tomu u normálně se vyskytujících atomů,“ podotkl Tomáš Opatrný.
Schéma zařízení je přitom univerzální, jelikož umožňuje spojovat navržené prvky do kaskád, které postupně koncentrují více a více energie do jediného módu, přičemž odpadní teplo z ostatních prvků se může dále recyklovat. „Práce přináší nové paradigma v termodynamice – jako tepelný stroj pracující podle termodynamických zákonů se již nemusejí považovat jen známá mechanická zařízení jako točící se motory či turbíny, ale i optický interferometr, tedy zařízení, které se dosud používalo ke zcela jiným účelům než k přeměně tepla na práci,“ uvedl Tomáš Opatrný.
Výzkum v této oblasti má podle Tomáše Opatrného dopady v oblastech, ve kterých se prolíná termodynamika s informatikou a kvantovou fyzikou. „Umožní nám lépe pochopit fungování kvantových počítačů či měřicích systémů pracujících na úrovni jednotlivých atomů či fotonů,“ dodal Šimon Bräuer.