最新突破！華東師大實現光力學隨機熱機

武海斌教授與論文第一作者盛繼騰

華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室武海斌教授團隊實現了微納尺度光力振子的隨機光力熱機，利用強耦合條件下簡正模式為熱機的工作介質，實現了單缸隨機熱機，發現了關聯對做功的重要性，更重要的是還實現了雙缸隨機光力熱機，對在小體系下研究隨機和量子熱機具有重要意義。

該成果以“Realization of a coupled-mode heat engine with cavity-mediated nanoresonators”為題於12月8日發表在Science Advances 上。華東師範大學為論文的完成單位。紫江青年盛繼騰研究員為該工作第一作者，武海斌教授為論文的通訊作者。

武海斌教授課題組成果在 Science Advances 發表

光力學熱機能夠

在量子區域進行深入操作

熱機在人類發展史上具有里程碑的意義，它的出現直接引發了第一次工業革命，極大推動了人類社會發展的程序。傳統熱機是將化學能透過燃燒轉化為內能再轉化為機械能對外做功，該過程有大量粒子參與，其規律可以用經典熱力學解釋。

近年來隨著微納製造和鐳射技術的突飛猛進，如何實現微納尺度甚至原子尺度的熱機成為重要的交叉科學前沿，不僅是隨機熱力學和量子熱力學的關鍵問題，而且對未來的生物、醫藥、能源等領域有重要應用前景。

其中基於光力學的熱機具有極大的優勢，能夠在量子區域進行深入操作，吸引了領域的廣泛關注，然而由於實現光學和力學振子的強耦合以及精確調控挑戰性很難實現光力學熱機。

實現了雙缸隨機熱機

可推廣到更復雜的熱機陣列

在實驗中，透過在光學腔內放置兩片奈米尺度的氮化矽薄膜，利用腔內光場的輻射壓力實現兩個微納機械振子的強耦合。兩片光力振子具有各自獨立的熱庫環境，透過同時控制振子頻率和熱庫，利用系統的本徵模式作為做功媒介，實現了隨機Otto迴圈熱機，包括絕熱膨脹、低溫熱化、絕熱壓縮和高溫熱化四個衝程。

(A) 兩片透過光力耦合的微納薄膜構成的實驗裝置；(B) 強耦合體系的兩支本徵模式呈現抗交叉效應(anti-crossing); (C)本徵模式構建的四衝程Otto熱機迴圈

透過對兩個微納振子運動模式的實時測量，得到本徵模式的實時聲子數，分析了單缸Otto熱機的熱力學迴圈和做功效率。圖中紅點表示本徵模在熱力學迴圈中的做功衝程（實驗上該衝程的掃描時間可控）。

我們發現兩個力學振子之間的關聯效應在做功衝程中十分重要。圖中的藍色陰影區域面積揭示了關聯做功大小，灰色陰影區域表徵了熱機做功衝程中在上下兩支本徵模之間的非絕熱躍遷的影響。由於熱機受隨機噪聲驅動，每個熱機迴圈的做功也不相同，滿足隨機機率分佈，為隨機熱機。

(A) 單缸Otto熱機的熱力學迴圈；(B) 不同掃描時間下的做功效率

所實現的耦合光力系統具有極大的優勢，透過精確調控耦合系統的本徵模式，使兩支本徵模式在一個熱機迴圈中交替做功，進一步實現了雙缸隨機熱機。該實驗可推廣到更為複雜的熱機陣列，有助於研究有限時間量子熱力學以及進一步提高輸出功率和做功效率。

雙缸Otto熱機的熱力學迴圈。(A) 上支本徵模式；(B) 下支本徵模式

聚焦腔光力學當前重要的

前沿科學領域

武海斌研究團隊聚焦腔光力學當前重要的前沿科學領域，在宏觀尺度上驗證量子力學基本問題，研究高精度精密測量量子感測、微納量子光學重要物理，以及發展宏觀尺度的量子器件等。

該團隊透過發展控制高品質因子薄膜振子頻率的新技術，在國內率先實現了雙薄膜腔光力實驗平臺，實現了突破量子極限的超靈敏微小位移測量，受到國際同行的跟蹤和模仿；近期觀測到聲子鐳射自組織同步的路徑和相位鎖定[Phys. Rev. Lett. 124, 053604 (2020)]，實現了一種區別於傳統熱傳導的新型長程可控熱傳輸[Nat. Commun. 11, 4656 (2020)]。

該研究得到了科技部量子調控重點專項、國家自然科學基金重點專案、國家自然科學基金傑出青年基金專案、上海市市級重大專項的資助。

來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室

攝影｜李振東 許多

通聯｜金亞珺

編輯｜吳瀟嵐