Science
23.02.2017

Quantenmotoren laufen von Natur aus unrund

Innsbrucker Physiker: Im Gegensatz zu makroskopischen Maschinen kann eine Quanten-Wärmekraftmaschine nicht durch Analyse nur eines einzelnen Zyklus beurteilt werden

Wärmekraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren oder Dampfmaschinen, wandeln Wärme in gerichtete, mechanische Bewegung um - gemäß den Gesetzen der Thermodynamik. Wie eine internationale Forschergruppe unter Beteiligung von Innsbrucker Physikern nun im Fachjournal "Physical Review Letters" berichtet, laufen solche Vorgänge auf Quantenebene deutlich anders ab.

Ende der 1950er-Jahre präsentierte der berühmte US-Physiker Richard Feynman in seiner legendären Rede "There's Plenty of Room at the Bottom" (etwa: "Unten ist eine Menge Platz") seine Ideen zu Technologien auf mikroskopischer Ebene. Knapp 60 Jahre später sind viele seiner damaligen Utopien tatsächlich Realität geworden. So haben etwa deutsche Forscher 2016 eine " Wärmekraftmaschine" vorgestellt, die aus einem einzigen Atom besteht.

Unregelmäßige Messung

Das grundlegende Prinzip einer Wärmekraftmaschine ist es, Wärme, also ungerichtete Bewegung, aus einer heißen Quelle zu entnehmen und einen Teil davon in mechanische Bewegung umzuwandeln. Der Rest der Energie wird an ein kaltes Wärmereservoir abgegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch und geschieht mit einer gewissen Effizienz, die umso höher ist, je mehr von der entnommenen Wärme in Bewegung umgewandelt wird. Für makroskopische Maschinen, wie den Motor eines Autos, ist die Leistung im Wesentlichen für jeden einzelnen Durchlauf gleich - schließlich sind ja auch die Bedingungen immer die gleichen.

Wie die aktuelle Studie zeigt, verliert dieses Prinzip in der Quantenwelt jedoch seine Gültigkeit: Die Leistung eines Quantenmotors ändert sich von einem Zyklus zum nächsten. Einer der Studienautoren, Prasanna Venkatesh vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), erklärt den Effekt gegenüber der APA anhand einer Analogie: "Stellen Sie sich vor, Sie fahren jeden Tag mit Ihrem Auto die gleiche Strecke in der gleichen Zeit. Würde der von uns entdeckte Effekt auch für den Motor Ihres Autos gelten, würden Sie bei jeder Fahrt einen anderen Benzinverbrauch haben."

Dieses merkwürdige Verhalten beruht auf der sogenannten Kohärenz. Dabei sind die in einem quantenmechanischen System gleichzeitig existierenden Zustände harmonisch überlagert. Wird das System gestört, etwa durch eine Messung, geht die Überlagerung verloren und das System wird gezwungen, sich auf einen bestimmten Zustand festzulegen. So würde auch ein Quantenmotor immer die gleiche Leistung aufweisen, wenn man nach jedem einzelnen Umlauf messen würde. Lässt man ihn dagegen über mehre Zyklen hinweg ungestört laufen und misst erst dann, so treten die Abweichungen auf.