熱機(jī)是一種能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械功的裝置，無論是在經(jīng)典還是量子領(lǐng)域，都有許多不同的熱機(jī)模型和實(shí)現(xiàn)方式。然而，量子理論提供了一些與熱能不同的非經(jīng)典形式的能量，例如糾纏、相干和超導(dǎo)等，這些能量在循環(huán)熱機(jī)中尚未被利用來產(chǎn)生有用的功。發(fā)表在《自然》的一篇論文中，研究人員實(shí)現(xiàn)了一種新穎的量子多體熱機(jī)，它的動力來源于超冷粒子的費(fèi)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(chǎn)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(zhì)。這種氣體可以通過調(diào)節(jié)一個磁場來實(shí)現(xiàn)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(xiàn)為由玻色分子組成的凝聚態(tài)，而在BCS極限下，原子氣體表現(xiàn)為由費(fèi)米子對組成的超流態(tài)。在這兩種極限下，原子氣體具有不同的量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)：玻色分子服從玻色-愛因斯坦分布，而費(fèi)米子對服從費(fèi)米-狄拉克分布。因此，在相同的溫度和粒子數(shù)下，兩種極限下的原子氣體具有不同的內(nèi)能和熵。

研究人員利用這種內(nèi)能和熵的差異來構(gòu)造一個量子奧托循環(huán)，該循環(huán)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(diào)節(jié)到BCS極限，使得原子氣體從玻色分子變?yōu)橘M(fèi)米子對。這個過程中，粒子數(shù)、溫度和勢阱頻率保持不變，但是原子氣體的內(nèi)能增加了一個量ΔU，這個量正是由于泡利不相容原理而產(chǎn)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?yàn)樵託怏w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(fèi)米統(tǒng)計(jì)性質(zhì)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(nèi)能和溫度。

過程3：等容膨脹。將原子氣體從BCS極限快速地調(diào)節(jié)回BEC極限，使得原子氣體從費(fèi)米子對變回玻色分子。這個過程中，粒子數(shù)、溫度和勢阱頻率保持不變，但是原子氣體的內(nèi)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(tǒng)計(jì)性質(zhì)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(nèi)能和溫度。來源: www.ws46.com

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huán)中的相干性和溫度變化。他們發(fā)現(xiàn)，在每個循環(huán)中，原子氣體可以輸出約為幾個振動量子的功，并且可以達(dá)到約25%的效率。他們還將這種泡利熱機(jī)與一個經(jīng)典熱機(jī)和一個純粹由相互作用驅(qū)動的熱機(jī)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)泡利熱機(jī)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(jié)論

研究人員實(shí)現(xiàn)了一種利用量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)作為熱力學(xué)資源的量子多體熱機(jī)。這種熱機(jī)可以在BEC-BCS過渡區(qū)域中實(shí)現(xiàn)從玻色分布到費(fèi)米分布（或反之）的轉(zhuǎn)換，并利用由泡利不相容原理產(chǎn)生的能量差來輸出有用的功。他們展示了這種熱機(jī)與經(jīng)典熱機(jī)和相互作用熱機(jī)之間的區(qū)別，揭示了其量子本質(zhì)。他們的發(fā)現(xiàn)為能量轉(zhuǎn)換裝置開辟了一種新的范式，即利用量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)來驅(qū)動新型的量子熱機(jī)。