Fyzici postavili Super Tiny Engine poháňaný jedným vápnikovým atómom

Fyzici vyvinuli motor, ktorý nevidíte voľným okom.

V novinách publikovaných dnes v časopise veda, výskumný tím z University of Mainz a University of Kassel v Nemecku vytvoril elektromagnetický systém, ktorý zachytáva jeden nabitý atóm vápnika-40 a osciluje ho, čím vytvára energiu rovnako ako parné lokomotívy a motory automobilov. Kvôli kvantovému mechanickému stavu tohto malého motora sa fyzici domnievajú, že systém funguje na rovnakej úrovni a môže byť dokonca účinnejší ako priemerný motor automobilu.

„Tam bolo veľa teoretických vysvetlení a výskumov v kvantových vlastnostiach motorov od neskorých 50 rokov,“ hovorí vedúci výskumník a experimentálny fyzik na University of Mainz Johannes Roßnagel. Inverzné. „Teraz sme ukázali, že je to možné.“

Roßnagel a jeho tím sa pustili do projektu pred štyrmi rokmi, keď chceli skúmať kvantové efekty v termodynamike a mysleli si, že najlepší spôsob, ako experimentovať, je vytvoriť motor. Museli stavať všetko od nuly na malom rozpočte niekoľkých stoviek eur, hovorí. Museli vybudovať personalizovanú elektroniku a systém, ktorý by mohol riadiť ión na veľmi presnej úrovni. Trvalo im celý rok, len aby vyvinuli techniku ​​na meranie teploty - bežné metódy sú príliš pomalé alebo nepresné pre ich motor.

To, čo skončili, bolo osem milimetrov dlhé a štyri milimetre v priemere iónovej pasce so zlatými doskami a elektródami, ktoré sekvestrovali osamelý atóm vápnika (ale akýkoľvek nabitý atóm mohol robiť svoju prácu) vo vnútri elektromagnetického poľa. Dva lasery smerujú na koniec pasce, jeden ohrieva atóm a druhý ho ochladzuje. Toto kolísanie teploty poháňa ión, čím sa vytvára stále sa zvyšujúca harmonická oscilácia - ako zvuková vlna. Je to tá istá myšlienka ako väčšie tepelné motory, ktoré sa spoliehajú na plyn alebo kvapaliny, aby vytvorili mechanickú prácu, s výnimkou tohto prípadu je tu len jedna častica, vysvetľuje Roßnagel.

Kým motor s jedným atómom mohol produkovať iba 10-22 wattov, ale je v skutočnosti porovnateľný s motorom auta, hovorí Roßnagel. Ak vypočítate množstvo energie jednotlivých častíc plynu v priemernom motorovom automobile, výkon motora je v rovnakom poradí ako motor s jedným atómom.

„Bolo to pre nás veľmi prekvapujúce,“ hovorí Roßnagel. „To znamená, že keď mierite takýto systém na jednu časticu, stále funguje na rovnakej úrovni ako makroskopické motory.“

On a jeho kolegovia veria, že táto úroveň efektívnosti je spôsobená kvantovými efektmi, jedinečnými vlastnosťami, ktoré môžu byť generované len prostredníctvom jednotlivých atómov a častíc. Roßnagel vysvetľuje, že termodynamické kvantové efekty by to robili tak, aby sa motory nemuseli spoliehať na teplotu ako jediný zdroj energie, a že kvantové vlastnosti motora s jedným atómom majú potenciál vytvárať ešte väčší výkon ako tepelný motor. Externí fyzici však nie sú takí istí.

„Neprijal by som túto účinnosť len z„ podivnosti kvantovej mechaniky “, povedal Hartmut Häffner, teoretický fyzik na Kalifornskej univerzite, Berkeley, ktorý nebol zapojený do experimentu. v roku 2014, keď Roßnagel napísal návrhový dokument o motore. Häffner dodáva, že potenciálny samotný atómový atóm je veľmi zaujímavý a veľmi dobre popísaný. Snaží sa posunúť hranice toho, čo vieme o termodynamike, do nového režimu. “

Jednomotorový motor Roßnagel a jeho tím je najmenším motorom, o ktorom vie, že dnes existuje. Napriek tomu existuje možnosť vytvoriť ešte menšie s jedným elektrónom, ale neverí, že by o to nejaký záujem mal. „Máme jedinú časticu, ktorá je v motore a či je to atóm vápnika alebo elektrón, z nášho výskumného hľadiska to nezmení.“

Ďalej chce Roßnagel postaviť malé chladničky s touto technológiou. Obrátením termodynamického cyklu by jeden-atómový motor bežal presne ako chladnička, vysvetľuje. Systém vytvára teplotný rozdiel, čím sa vytvára strana, ktorá sa zahrieva, a strana, ktorá je chladená - podobne ako naše spotrebiče na skladovanie potravín. V ďalekej budúcnosti môže vidieť aj tieto motory s nanoúrovňami zlepšujúce čipy a tranzistory s jedným atómom.

„Teplo, ktoré vzniká počas prevádzky, je pre čipový priemysel veľmi veľkým problémom. Myslím si, že dodatočné chladiace systémy by boli veľmi užitočné, “hovorí.

Bez ohľadu na to, čo presne vychádza z ich pôvodného jedno-atómového motora, Roßnagel verí, že „tento deň nájde nejaké väčšie aplikácie“.