क्वूफ़ू नॉर्मल यूनिवर्सिटी, हांगकांग और पलेर्मो के शोधकर्ताओं ने एक ऊष्मीय क्वांटम इंजन के विकास की घोषणा की है। इस नए इंजन में एक ही समय में कार्य और शीतलन दोनों उत्पन्न करने की क्षमता है। यह अध्ययन, जो घटना के सैद्धांतिक और प्रायोगिक साक्ष्यों को जोड़ता है, को फिजिकल रिव्यू लेटर्स पत्रिका में प्रकाशित किया गया था।
इस खोज की शुरुआत एक असामान्य तापीय प्रभाव के अवलोकन से हुई: एक क्वांटम प्रणाली जो ठंडे तापीय जलाशयों से गर्मी अवशोषित करती है। यह व्यवहार स्थापित शास्त्रीय सिद्धांत का खंडन करता है, जिसके अनुसार गर्मी हमेशा गर्म क्षेत्रों से ठंडे क्षेत्रों में स्वतः स्थानांतरित होती है जब तक कि तापीय संतुलन प्राप्त नहीं हो जाता, जो रेफ्रिजरेटर और बिजली संयंत्रों जैसी प्रौद्योगिकियों के लिए एक आवश्यक सिद्धांत है।
यह घटना अनिश्चित कारण क्रम (ICO) की अवधारणा से आंतरिक रूप से जुड़ी हुई है। सह-लेखक ज़ोंग-शियाओ मान ने Phys.org को समझाया कि ICO दो घटनाओं को क्रमों के सुपरपोजिशन में मौजूद होने की अनुमति देता है। क्वांटम थर्मोडायनामिक्स में, इन घटनाओं को थर्मलाइजेशन चैनलों के रूप में दर्शाया जाता है जो नियंत्रण क्यूबिट के माध्यम से एक प्रणाली पर कार्य करते हैं, जिससे यह अनिश्चित क्रम उत्पन्न होता है।
मान ने आगे कहा कि पिछले शोधों ने पहले ही प्रदर्शित किया था कि समान तापमान पर चैनल का उपयोग करते हुए भी, प्रणाली को उस तापमान पर स्थिर होने की आवश्यकता नहीं थी, जो पारंपरिक थर्मोडायनामिक्स से एक महत्वपूर्ण विचलन का प्रतिनिधित्व करता है। इसके साथ, टीम ने जांच की कि जब प्रणाली और चैनल अलग-अलग तापमान वाले होते हैं तो गर्मी प्रवाह के साथ क्या होता है। मान ने कहा: 'हमारे लेख का मुख्य विचार यह है कि क्वांटम दुनिया में, दो तापीय प्रक्रियाएं विभिन्न क्रमों के सुपरपोजिशन में हो सकती हैं। यह एक असामान्य गर्मी प्रवाह बनाता है, जिससे इंजन एक ऐसे तरीके से ऊर्जा निकाल सकता है जो शास्त्रीय रूप से संभव नहीं होगा।'
इस असामान्य गर्मी प्रवाह के आधार पर, वैज्ञानिकों ने एक क्वांटम ओटो इंजन की परिकल्पना की, जो गर्मी को उपयोगी ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक उपकरण है। पारंपरिक ओटो इंजनों के विपरीत, यह उपकरण एक क्वांटम चक्र संचालित करता है जो उपयोगी कार्य उत्पन्न कर सकता है और एक साथ शीतलन प्रदान कर सकता है, जिसके लिए सामान्य रूप से दो अलग-अलग उपकरणों की आवश्यकता होगी। असामान्य प्रवाह और इंजन दोनों का प्रायोगिक रूप से एक फोटोनिक प्लेटफॉर्म पर परीक्षण किया गया, और परिणामों ने पूरी तरह से टीम की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की।
सह-लेखक गुइलिओ चिरिबेला ने काम की तीन महत्वपूर्ण प्रगति पर प्रकाश डाला। सबसे पहले, एक नई प्रकार की असामान्य गर्मी प्रवाह की पहचान की गई, जिससे यह साबित हुआ कि क्वांटम सुसंगतता गर्मी के आदान-प्रदान को प्रणालियों के बीच नाटकीय रूप से संशोधित कर सकती है। दूसरे, एक फोटोनिक प्लेटफॉर्म पर इन गैर-पारंपरिक ऊष्मागतिक प्रभावों का पूर्ण सैद्धांतिक और प्रायोगिक प्रदर्शन किया गया। अंत में, यह साबित हुआ कि ऐसे प्रभाव केवल अनिश्चित कारण क्रम तक ही सीमित नहीं हैं, बल्कि एक परिभाषित कारण संरचना के भीतर भी दोहराए जा सकते हैं।
हालांकि प्रस्तुत इंजन अभी भी केवल एक अवधारणा प्रमाण है, लेखक सुझाव देते हैं कि डिजाइन और असामान्य गर्मी प्रवाह को क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकास में लागू किया जा सकता है। इनमें क्वांटम प्रोसेसर का शीतलन, क्वांटम सेंसर में गर्मी प्रबंधन, और इमेजिंग और नैनोस्केल उपकरणों में शामिल हैं। सह-लेखक रोसारियो लो फ्रान्को ने संकेत दिया कि भविष्य के शोध को आदर्श ऊष्मागतिक चक्रों से परे जाने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए, अधिक व्यावहारिक कार्यान्वयनों की जांच करनी चाहिए जहां सभी संचालन सीमित समय में होते हैं। लो फ्रान्को ने टिप्पणी की कि हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि सीमित समय में माप और नियंत्रण ऊर्जा लागत, सूचना लाभ और प्रदर्शन के बीच महत्वपूर्ण आदान-प्रदान ला सकते हैं, और टीम यह समझने की योजना बना रही है कि ये प्रतिबंध प्रस्तावित इंजन को कैसे प्रभावित करते हैं।
साउथгемपटन विश्वविद्यालय और सिंगापुर राष्ट्रीय विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने पॉलिमर के उपयोग के बिना द्वि-आयामी विषम संरचनाओं के निर्माण की एक विधि प्रस्तुत की, जिनका पारंपरिक रूप से इस प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है। इस शोध के परिणाम नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं।
प्रस्तावित दृष्टिकोण आसंजक सिंथेटिक सामग्रियों को प्राकृतिक मस्कोवाइट क्रिस्टल से बदलता है, जो माइका का एक प्रकार है। यह सूक्ष्म संदूषण को कम करने की अनुमति देता है, जो आमतौर पर कुछ परमाणुओं की मोटाई वाले परतों से बनी संरचनाओं की गुणवत्ता को खराब करता है।
यह उपलब्धि क्वांटम सामग्रियों का उपयोग करके अनुसंधान की सटीकता को बढ़ा सकती है और अधिक विश्वसनीय इलेक्ट्रॉनिक घटकों के विकास में तेजी ला सकती है। सतहों की शुद्धता ऐसे उपकरणों के प्रदर्शन के लिए एक निर्णायक कारक मानी जाती है।
द्वि-आयामी सामग्रियों का उत्पादन अत्यंत पतली परमाणु परतों के ढेर पर निर्भर करता है। इस असेंबली के लिए मानक विधियों में सिंथेटिक पॉलिमर का उपयोग किया जाता है, जो सूक्ष्म अवशेष छोड़ते हैं जो संरचनाओं के इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार को बदलते हैं। इस समस्या से बचने के लिए, टीम ने मस्कोवाइट का उपयोग किया, जिसे माइका के रूप में जाना जाता है।
शोधकर्ताओं के अनुसार, चूंकि मस्कोवाइट एक अकार्बनिक क्रिस्टल है, यह अधिक सजातीय सतह प्रदान करता है और विषम संरचनाओं की असेंबली के दौरान संदूषकों की मात्रा को काफी कम करता है। इस कार्य ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह प्रतिस्थापन परमाणु परतों को अधिक सटीकता के साथ व्यवस्थित करने की अनुमति देता है। यह नियंत्रण महत्वपूर्ण है क्योंकि कुछ द्वि-आयामी सामग्रियां निश्चित कोणों पर स्टैक किए जाने पर पूरी तरह से अलग गुण प्रदर्शित करती हैं।
शोध के मुख्य लेखक, मैकार्स शि시킨, साउथгемपटन विश्वविद्यालय के प्रायोगिक भौतिकी के प्रोफेसर ने जोर दिया कि क्वांटम सामग्री के क्षेत्र में अनुसंधान के लिए इस स्तर की सटीकता महत्वपूर्ण है। उन्होंने कहा कि जब ग्राफीन और हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड जैसी द्वि-आयामी सामग्रियों को परतों के बीच नियंत्रित कोणों वाली संरचनाओं में स्टैक किया जाता है, तो वे पूरी तरह से नए गुण प्रदर्शित करना शुरू कर देती हैं।
शोधकर्ता ने समझाया कि थोड़ी मात्रा में संदूषण प्रयोगों के परिणामों को विकृत कर सकता है, इसलिए एक स्वच्छ प्रक्रिया वैज्ञानिक खोजों की संभावनाओं का विस्तार करती है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि नई विधि संरचनाओं के निर्माण को सरल बनाती है और प्रक्रिया की लागत को कम करती है।
शि시킨 के अनुमान के अनुसार, प्रदूषण मुक्त निर्माण विधियों में सुधार अधिक कुशल नैनोइलेक्ट्रॉनिक घटकों और भविष्य में उच्च गति और विश्वसनीयता वाले माइक्रोचिप्स के निर्माण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
अलेक्सी बर्ड्युगिन, सिंगापुर राष्ट्रीय विश्वविद्यालय के प्रोफेसर और शोध के सह-लेखक ने टिप्पणी की कि अशुद्धियों के बिना परमाणु स्टैक बनाना नैनोप्रौद्योगिकी की सबसे बड़ी समस्याओं में से एक बना हुआ है। उन्होंने आगे कहा कि चूंकि माइका एक नरम बहुलक नहीं बल्कि एक अकार्बनिक क्रिस्टल है, यह पारंपरिक तरीकों में मौजूद कई संदूषण समस्याओं से बचता है।
बर्ड्युगिन के अनुसार, यह विधि अल्ट्रा-क्लीन सतहें प्रदान करती है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक घटक अधिकतम प्रदर्शन पर काम कर सकते हैं। शोधकर्ता का मानना है कि यह विशेषता मौलिक अनुसंधान और क्वांटम प्रौद्योगिकियों के भविष्य के अनुप्रयोगों दोनों के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकती है।
