熱機是一種能夠將熱能轉化為機械功的裝置，無論是在經典還是量子領域，都有許多不同的熱機模型和實現方式。然而，量子理論提供了一些與熱能不同的非經典形式的能量，例如糾纏、相干和超導等，這些能量在循環熱機中尚未被利用來產生有用的功。發表在《自然》的一篇論文中，研究人員實現了一種新穎的量子多體熱機，它的動力來源于超冷粒子的費米子和玻色子集合之間的能量差，這種能量差是由于泡利不相容原理而產生的。

理論模型

研究人員使用一種受到諧振勢阱約束的超流6Li原子氣體作為工作物質。這種氣體可以通過調節一個磁場來實現從玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）到巴德金-庫珀-施里弗（BCS）之間的平滑過渡。在BEC極限下，原子氣體表現為由玻色分子組成的凝聚態，而在BCS極限下，原子氣體表現為由費米子對組成的超流態。在這兩種極限下，原子氣體具有不同的量子統計性質：玻色分子服從玻色-愛因斯坦分布，而費米子對服從費米-狄拉克分布。因此，在相同的溫度和粒子數下，兩種極限下的原子氣體具有不同的內能和熵。

研究人員利用這種內能和熵的差異來構造一個量子奧托循環，該循環由四個過程組成：

過程1：等容壓縮。將原子氣體從BEC極限快速地調節到BCS極限，使得原子氣體從玻色分子變為費米子對。這個過程中，粒子數、溫度和勢阱頻率保持不變，但是原子氣體的內能增加了一個量ΔU，這個量正是由于泡利不相容原理而產生的能量差。我們可以將這個過程視為一個等容壓縮過程，因為原子氣體受到一個恒定的勢阱壓力。

過程2：絕熱膨脹。將勢阱頻率從ω1降低到ω2，使得原子氣體在保持費米統計性質不變的情況下膨脹。這個過程中，沒有熱量交換，但是原子氣體做功并降低了內能和溫度。

過程3：等容膨脹。將原子氣體從BCS極限快速地調節回BEC極限，使得原子氣體從費米子對變回玻色分子。這個過程中，粒子數、溫度和勢阱頻率保持不變，但是原子氣體的內能減少了一個量ΔU。

過程4：絕熱壓縮。將勢阱頻率從ω2升高到ω1，使得原子氣體在保持玻色統計性質不變的情況下壓縮。這個過程中，沒有熱量交換，但是原子氣體吸收功并增加了內能和溫度。來源: www.ws46.com

實驗結果

研究人員使用一種雙光柵干涉儀來測量原子氣體在循環中的相干性和溫度變化。他們發現，在每個循環中，原子氣體可以輸出約為幾個振動量子的功，并且可以達到約25%的效率。他們還將這種泡利熱機與一個經典熱機和一個純粹由相互作用驅動的熱機進行了對比，發現泡利熱機具有明顯的量子特征，例如在低溫下具有更高的功率和效率。

結論

研究人員實現了一種利用量子統計性質作為熱力學資源的量子多體熱機。這種熱機可以在BEC-BCS過渡區域中實現從玻色分布到費米分布（或反之）的轉換，并利用由泡利不相容原理產生的能量差來輸出有用的功。他們展示了這種熱機與經典熱機和相互作用熱機之間的區別，揭示了其量子本質。他們的發現為能量轉換裝置開辟了一種新的范式，即利用量子統計性質來驅動新型的量子熱機。