Fiziki so zgradili super majhen motor z enim kalcijevim atomom

Fiziki so razvili motor, ki ga ne morete videti s prostim očesom.

V članku, objavljenem danes v reviji Znanost Raziskovalna skupina z Univerze v Mainzu in Univerze v Kasslu v Nemčiji je ustvarila elektromagnetni sistem, ki ujame en sam nabite atom kalcija 40 in ga oscilira, ustvarja energijo, prav tako kot parno lokomotiva in avtomobilske motorje. In zaradi kvantno-mehanskega stanja tega drobnega motorja, fiziki verjamejo, da sistem deluje na enaki ravni in je lahko celo bolj učinkovit kot povprečni avtomobilski motor.

"Od poznih 50-ih let je bilo veliko teoretičnih razlag in raziskav v kvantnih lastnostih motorjev," je povedal glavni raziskovalec in eksperimentalni fizik na Univerzi v Mainzu Johannes Roßnagel. Inverse. "Zdaj smo pokazali, da je to mogoče."

Roßnagel in njegova ekipa sta začela projekt pred štirimi leti, ko sta želela raziskati kvantne učinke v termodinamiki, in mislil, da je najboljši način za eksperimentiranje ustvariti motor. Morali so graditi vse od nič na majhnem proračunu nekaj sto evrov, pravi. Morali so zgraditi personalizirano elektroniko in sistem, ki bi lahko zelo natančno nadziral ion. Potrebno jim je bilo celo leto, da razvijejo tehniko za merjenje temperature - običajne metode so prepočasne ali netočne za njihov motor.

Končali so z ionsko pastjo dolžine 8 milimetrov in štirih milimetrov v premeru z zlatimi ploščami in elektrodami, ki so izolirali en sam kalcijev atom (toda vsak naelektren atom bi lahko opravil delo) znotraj elektromagnetnega polja. Dva laserja kažejo na konce pasti, eno ogreva atom in drugo ga ohlaja. To nihanje temperature povzroči, da ion ustvarja vedno večjo harmonično nihanje - kot zvočni val. To je ista zamisel kot večji termični motorji, ki se opirajo na plin ali tekočine za ustvarjanje mehanskega dela, razen v tem primeru obstaja samo en delček, pojasnjuje Roßnagel.

Medtem ko bi lahko motor z enim atomom proizvedel le 10-22 vatov, je dejansko primerljiv z avtomobilskim motorjem, pravi Roßnagel. Če izračunamo količino energije posameznih plinastih delcev v povprečnem avtomobilskem motorju, je moč motorja enaka velikosti kot motor z enim atomom.

»To je bilo za nas zelo presenetljivo,« pravi Roßnagel. "To pomeni, da ko takšen sistem raztezate na en sam delček, še vedno deluje na isti ravni kot makroskopski motorji."

On in njegovi kolegi verjamejo, da je ta raven učinkovitosti posledica kvantnih učinkov, edinstvenih lastnosti, ki jih je mogoče ustvariti le prek posameznih atomov in delcev. Roßnagel pojasnjuje, da bi termodinamični kvantni učinki povzročili, da se motorji ne zanašajo na temperaturo kot edini vir energije in da imajo kvantne lastnosti enodimnega motorja potencial za ustvarjanje še večje moči kot termični motor. Vendar pa zunanji fiziki niso tako prepričani.

"Te učinkovitosti ne bi sprejel le iz" čudnosti kvantne mehanike, "je povedal Hartmut Häffner, teoretični fizik na Univerzi v Kaliforniji, Berkeley, ki ni bil vključen v eksperiment. leta 2014, ko je Roßnagel napisal predlog papirja o motorju. Häffner dodaja, da je potencialni motor z enim atomom “zelo zanimiv in zelo dobro opisan. Poskuša potisniti meje tega, kar vemo o termodinamiki, v nov režim."

Enotni motor Roßnagel in njegova ekipa je zgrajen najmanjši motor, za katerega ve, da obstaja danes. Vendar pa obstaja možnost, da se ustvarijo tudi manjši z enim elektronom, vendar ne verjame, da obstaja interes za njegovo uresničevanje. "Imamo en sam delček, ki teče v motorju, in ali je to kalcijev atom ali elektron, z našega raziskovalnega vidika to ne spremeni ničesar."

Potem želi Roßnagel zgraditi drobne hladilnike s tehnologijo. Z obračanjem termodinamičnega kroga okrog, bi motor z enim atomom tekel natanko tako kot hladilnik, pojasnjuje. Sistem ustvarja temperaturno razliko, ustvarja stran, ki se ogreva, in stran, ki se ohlaja - kot so naši aparati za shranjevanje hrane. V daljni prihodnosti lahko vidi tudi te nano-motorje, ki izboljšujejo čipe in enokomponentne tranzistorje.

»Toplota, ki nastane med operacijo, je zelo velik problem za industrijo čipov. Mislim, da bi bilo zelo koristno imeti dodatne hladilne sisteme, “pravi.

Ne glede na to, kaj točno izhaja iz njihovega začetnega motorja z enim atomom, Roßnagel verjame, da "bo to nekoč našlo nekaj večjih aplikacij."