BEC-BCS交叉中的量子热机

热机是一种能够将热能转化为机械功的装置，无论是在经典还是量子领域，都有许多不同的热机模型和实现方式。然而，量子理论提供了一些与热能不同的非经典形式的能量，例如纠缠、相干和超导等，这些能量在循环热机中尚未被利用来产生有用的功。发表在《自然》的一篇论文中，研究人员实现了一种新颖的量子多体热机，它的动力来源于超冷粒子的费米子和玻色子集合之间的能量差，这种能量差是由于泡利不相容原理而产生的。

研究人员使用一种受到谐振势阱约束的超流6Li原子气体作为工作物质。这种气体可以通过调节一个磁场来实现从玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）到巴德金-库珀-施里弗（BCS）之间的平滑过渡。在BEC极限下，原子气体表现为由玻色分子组成的凝聚态，而在BCS极限下，原子气体表现为由费米子对组成的超流态。在这两种极限下，原子气体具有不同的量子统计性质：玻色分子服从玻色-爱因斯坦分布，而费米子对服从费米-狄拉克分布。因此，在相同的温度和粒子数下，两种极限下的原子气体具有不同的内能和熵。

研究人员利用这种内能和熵的差异来构造一个量子奥托循环，该循环由四个过程组成：

过程1：等容压缩。将原子气体从BEC极限快速地调节到BCS极限，使得原子气体从玻色分子变为费米子对。这个过程中，粒子数、温度和势阱频率保持不变，但是原子气体的内能增加了一个量ΔU，这个量正是由于泡利不相容原理而产生的能量差。我们可以将这个过程视为一个等容压缩过程，因为原子气体受到一个恒定的势阱压力。