操作溫度比太陽表面還熱的微型粒子引擎，探測物理極限
科學家近日利用單原子建造出微型史特林引擎，運作溫度遠高於太陽表面溫度 5,800 K，將藉此實驗探索熱力學、量子效應與經典物理極限，並為未來奈米技術、極端物理應用鋪路。
史特林引擎（Stirling Engine）工作原理是加熱冷卻密封氣體或液體，使其在重複閉循環過程膨脹收縮，將熱能轉化為機械能。
基於相同原理，倫敦國王學院物理學家 Molly Message 團隊最近開發出在微米尺度上運行的微型史特林引擎──不是為了替奈米機器提供動力，而是為了更理解熱與能量基礎原理。
研究人員控制一顆直徑僅 4.82 微米的二氧化矽粒子，懸浮於電場組成的真空阱（粒子可以稍微搖晃，但無法逃脫），再對粒子施加電雜訊「加熱」粒子，模擬溫度高達 1,300 萬 K──遠超太陽表面溫度 5,800 K，接近太陽核心溫度 1,500 萬 K。
這使二氧化矽顆粒完全像在 1,300 萬 K 溫度條件下晃動，相當於史特林循環的膨脹階段，接著團隊關閉電雜訊使系統進入收縮階段讓粒子「冷卻」，再次調整真空阱減少晃動。
如此重複 700～1,400 個週期，研究人員發現熱交換過程存在劇烈波動，同時觀察到短暫時間內，粒子產生的功似乎超過其消耗熱量，展現超過 100% 的效率。
有趣的是當介質溫度和稠度發生變化，粒子移動方式取決於它在陷阱的位置，而非我們在均勻環境看見的擴散行為，該結果可能影響我們對生物系統看法，增進藥物體內運輸方式理解。
團隊希望透過這種微型史特林引擎，探索更多微小尺度上控制運動和能量的物理學。新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
（首圖僅為示意圖，來源：AI 生成）