Experimental realization of superradiant quantum heat engine

Abstract

Recent emergence of micro- and nano-scale mechanical systems has drawn much interests in thermodynamics in the quantum regime. In those systems, engine performance such as efficiency and power output can be improved with a help from quantum mechanical phenomena. It is suggested that by introducing nonlinearity of superradiance the output power of the quantum engine can be greatly enhanced. Although several quantum engines have been recently realized, a quantum-enhanced near-unity efficiency engine which can do a mechanical work associated with volume changes has not been demonstrated so far. In this thesis, we describe the development of a superradiant photonic engine driven by a heat reservoir composed of atoms and photonic vacuum. Atoms prepared in a coherent superposition state traverse the cavity to inject quantum coherence into the engine. This leads to about 40-fold enhancement of the effective engine temperature in the expansion stage while the thermal contact remains unchanged. We show that a near-unity efficiency can be achieved owing to the highly enhanced engine temperature. The engine operates efficiently even when the temperatures of hot and cold reservoirs were switched. The observed engine output power exhibited a nonlinear growth with the atomic injection rate. The first proof-of-principle demonstration of the quantum engine utilizing superradiance can be utilized in quantum mechanical heat transfer as well as in boosting engine powers.

분야를 막론하고 마이크로, 나노 스케일 시스템 연구들이 활발하게 진행되면서 양자 영역에서의 열역학이 주목을 받고 있다. 이런 시스템에서는 효율이나 출력과 같은 엔진 성능을 양자역학적 원리를 이용하여 향상시킬 수 있다. 초방사현상의 비선형성을 도입하여 양자엔진의 출력을 증대 시킬 수 있다는 이론적 제안이 이루어진 바 있다. 최근 들어 몇몇 양자엔진이 구현되었으나 양자역학적 으로 증가된 1에 가까운 효율을 보이면서 역학적 일을 할 수 있는 엔진은 아직까지 구현된 바 없다. 본고에서는 원자빔을 열원으로 하는 초방사 광자 엔진에 대해 서 기술한다. 원자들은 결맞은 중첩 상태로 준비되어 공진기를 지나면서 엔진에 양자 결맞음을 공급한다. 공급된 결맞음으로 열접촉의 변화없이 엔진의 유효온도를 40배향상시키고 이러한 성질을 이용하여 1에 가까운 효율을 달성하였다. 더 나아가 뜨겁고 차가운 열원의 온도가 서로 바뀌어도 엔진이 여전히 동작하였다. 초방사 열원으로 동작하기 때문에 그 출력은 원자 주입률에 대해 비선형적으로 증가하였다. 초방사 양자엔진을 원리적으로 최초 구현한 본 연구는 양자 역학적 열수송과 엔진 출력 증대에 활용될 수 있을 것이다.