特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。熱引擎在經典和量子機制下都將熱能轉化為機械功。然而，量子理論是真正的非經典形式的能量，迄今為止還沒有在循環發動機中得到應用。有鑒于此，德國萊茵蘭-普法爾茨凱澤斯勞滕-蘭道工業大學Artur Widera等人通過實驗實現了一種量子多體發動機，該發動機由超冷粒子的費米子和玻色子之間的能量差提供動力。采用接近磁費什巴赫共振的6Li原子的諧波捕獲超流體氣體，通過氣體調節實現了有效地將量子統計從玻色愛因斯坦轉變為費米狄拉克。通過將這種泡利發動機與經典熱狀態下的發動機以及純相互作用驅動的裝置進行對比，揭示了這種泡利發動機的量子性質。本工作獲得每個周期若干個106個振動量子的功輸出，效率高達25%。本研究結果將量子統計確立為產生功的有用熱力學資源。作者報告了一種新的多體量子引擎的實驗實現，該發動機循環地將泡利不相容原理產生的能量轉化為功。其工作機制是純量子起源，費米子和玻色子之間的差異在經典高溫極限下消失。作者采用了由6Li原子組成的超冷雙組分費米氣體，該氣體被限制在組合光磁陷阱中，通過形成捕獲勢的激光功率絕熱地改變捕獲頻率來實現循環。作者討論了零溫度下一維諧波俘獲非相互作用理想氣體的簡單情況，解析了獲得泡利原理的能量可能性，還制備了一種相互作用的3D量子簡并雙組分費米氣體，證實了量子泡利發動機的可行性。
在分子BEC體系中，總能量包括分子結合能和殘余粒子-粒子相互作用。作者比較了泡利沖程的能量差ΔU，將量子泡利能量與熱狀態下的類似過程進行對比，結果表明泡利沖程期間量子統計的變化產生了更大的能量差 ΔU，并且粒子數的增加速度更快。因此可以得出結論，變化ΔU主要是由于量子泡利能EP造成的。
作者進一步探究了泡利發動機的性能，重要的泡利沖程能量變化直接反映了在粒子數量恒定的情況下，費米能量在更陡峭的勢下不斷增長，這表明壓縮比會增加，從而增加功輸出。功輸出W和效率η均隨著壓縮比的增加而增加，總功輸出高達30×106?ωA，當壓縮比大于10% 時，效率高于10%，最大效率為 25%。
作者通過量子統計驅動的泡利循環和相互作用驅動的費什巴赫循環之間的比較表明，泡利發動機優于效率基本為零的費什巴赫發動機。雖然迄今為止量子熱力學的大多數研究都集中在傳統的能量形式，但本研究表明，通過改變系統的量子統計，可以實現一種新的能量轉移形式，將泡利能量循環轉換為功。這種基于泡利不相容原理的效應本質上是量子效應。
Koch, J., Menon, K., Cuestas, E. et al. A quantum engine in the BEC–BCS crossover. Nature 621, 723–727 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-06469-8https://doi.org/10.1038/s41586-023-06469-8
