華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武海斌教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了微納尺度光力振子的隨機(jī)光力熱機(jī)，利用強(qiáng)耦合條件下簡正模式為熱機(jī)的工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了單缸隨機(jī)熱機(jī)，發(fā)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)對做功的重要性，更重要的是還實(shí)現(xiàn)了雙缸隨機(jī)光力熱機(jī)，對在小體系下研究隨機(jī)和量子熱機(jī)具有重要意義。

該成果以“Realization of a coupled-mode heat engine with cavity-mediated nanoresonators”為題于12月8日發(fā)表在Science Advances 上。華東師范大學(xué)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。

光力學(xué)熱機(jī)能夠在量子區(qū)域進(jìn)行深入操作

熱機(jī)在人類發(fā)展史上具有里程碑的意義，它的出現(xiàn)直接引發(fā)了第一次工業(yè)革命，極大推動(dòng)了人類社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程。傳統(tǒng)熱機(jī)是將化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對外做功，該過程有大量粒子參與，其規(guī)律可以用經(jīng)典熱力學(xué)解釋。

近年來隨著微納制造和激光技術(shù)的突飛猛進(jìn)，如何實(shí)現(xiàn)微納尺度甚至原子尺度的熱機(jī)成為重要的交叉科學(xué)前沿，不僅是隨機(jī)熱力學(xué)和量子熱力學(xué)的關(guān)鍵問題，而且對未來的生物、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

其中基于光力學(xué)的熱機(jī)具有極大的優(yōu)勢，能夠在量子區(qū)域進(jìn)行深入操作，吸引了領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，然而由于實(shí)現(xiàn)光學(xué)和力學(xué)振子的強(qiáng)耦合以及精確調(diào)控挑戰(zhàn)性很難實(shí)現(xiàn)光力學(xué)熱機(jī)。

實(shí)現(xiàn)了雙缸隨機(jī)熱機(jī) 可推廣到更復(fù)雜的熱機(jī)陣列

在實(shí)驗(yàn)中，通過在光學(xué)腔內(nèi)放置兩片納米尺度的氮化硅薄膜，利用腔內(nèi)光場的輻射壓力實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微納機(jī)械振子的強(qiáng)耦合。兩片光力振子具有各自獨(dú)立的熱庫環(huán)境，通過同時(shí)控制振子頻率和熱庫，利用系統(tǒng)的本征模式作為做功媒介，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)Otto循環(huán)熱機(jī)，包括絕熱膨脹、低溫?zé)峄�、絕熱壓縮和高溫?zé)峄�四個(gè)沖程。

(A)兩片通過光力耦合的微納薄膜構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)裝置；(B)強(qiáng)耦合體系的兩支本征模式呈現(xiàn)抗交叉效應(yīng)(anti-crossing); (C)本征模式構(gòu)建的四沖程Otto熱機(jī)循環(huán)