近日，南方科技大学量子科学与工程研究院博士后陈洋洋在量子热机方面取得了新的研究进展，相关成果在杂志npj Quantum Information（IF:8.270）上发表 。

量子热机指的是以服从量子力学规律的物质为工作介质的热机，而以相互作用的量子气体为工作物质的量子热机是近年来多体量子物理领域的研究热点问题之一。这是因为理论研究发现，相互作用的量子多体系统表现出许多奇特的性质，并且相比于经典气体有更优异的表现；从实验的角度看，制备及操控超冷原子气体的技术已经相当成熟，为将来实验上实现基于冷原子气体的量子热机提供了基础保障。

相互作用调控的量子热机循环

在本工作中，陈洋洋及其合作者们率先提出了相互作用调控量子热机的构想，运用精确可解模型以及拉亭戈量子液体理论系统计算了相互作用调控量子热机的功及热机效率，发现了在拉亭戈液体相热机的效率与热源温度无关，只依赖于声速的比值，具有普适特性；在量子临界点附近量子热机具有最大的单粒子平均功，体现了量子气体在热机做功方面的优越性，并进一步讨论了实验上的实现方案。该工作从理论研究层面揭示了一维量子多体系统的普适特性，并为量子调控和量子气体的实验研究提供了有意义的参考。

（a）效率h、功W和粒子数密度 n的关系；（b）相图及在不同区域的量子热机循环；（c）相应的热机循环过程中内能对相互作用强度的变化率（图纸T为温度，m为化学势，c为相互作用强度）

本工作中，研究人员创造性地运用了可积模型以及低维量子场论的研究手段，通过严格的计算，分析了由一维接触相互作用玻色气体实现的量子热机循环，得到了热机效率、功率等主要参数的解析表达式。作者针对冷原子物理实验的特点，提出了通过调控原子之间相互作用强度实现量子热机循环的构想，理论上证实了相互作用调控可实现和原先人们熟知的磁热、压热效应类似的一种全新的量子热效应。基于对热机循环的分析，本工作理论上证明了相互作用调控的量子热机的可实施性，并相应给出了具体的实施方案。

陈洋洋为该论文的第一作者，武汉物理与数学研究所研究员管习文、马萨诸塞大学物理系教授Adolfo del Campo是该论文的共同通讯作者。该项目的合作者还包括武汉物理与数学研究所助理研究员余毅聪及浙江大学物理系教授Gentaro Watanabe。

该工作得到了博士后基金、国家自然科学基金重点专项基金、面上基金及科技部量子调控重点专项的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-019-0204-5

对话第一作者陈洋洋：

Q：能分享一下此项研究的过程吗？

A：在本工作中，我们先从比较简单的情况入手，考虑了只有少数粒子的情况。比如刚开始考虑3到5个粒子的情况。经过计算，我们发现了单个粒子的平均功会在某些情况下出现极大值。然后我们再进一步考虑粒子数目为无限大，而粒子密度为有限大小的情况，即热力学极限。进而发现这个极大值与量子临界区域有密切的关系。这种从特殊情况出发，归纳出普适规律是我们在科学研究中经常使用的方法。

Q：研究中有什么难点，你们是怎么克服的呢？

A：在考虑热力学极限时，对于热机循环过程中的绝热过程，我们没有理论方法来计算体系的能量变化，这曾给我们造成了很大的困扰。后来我们比较了少数粒子的计算结果，发现绝热过程与准静态过程给出的定性结果是完全一致的，而定量结果只有极小的差别。因此，我们在热力学极限时，近似的利用准静态过程来计算体系能量的变化。

Q：能简单说一下你们下一步的研究计划吗？

A：热机有两个重要指标，一个是功，一个是效率。现在，我们发现在量子临界区域单粒子的平均功有最佳的表现。接下来，我们还打算研究一下在什么样的情况下，我们能够得到最佳的效率。

供稿：量子科学与工程研究院

编辑：刘馨