Fizycy zbudowali super mały silnik zasilany pojedynczym atomem wapnia

Fizycy opracowali silnik, którego nie można zobaczyć gołym okiem.

W artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Nauka Zespół badawczy z Uniwersytetu w Moguncji i Uniwersytetu w Kassel w Niemczech stworzył system elektromagnetyczny, który wychwytuje pojedynczy naładowany atom wapnia 40 i oscyluje w nim, wytwarzając energię podobnie jak lokomotywa parowa i silniki samochodowe. Ze względu na stan mechaniki kwantowej tego małego silnika fizycy uważają, że system działa na tym samym poziomie i może być nawet bardziej wydajny niż przeciętny silnik samochodu.

„Od późnych lat 50-tych pojawiło się wiele teoretycznych wyjaśnień i badań dotyczących właściwości kwantowych silników”, mówi Johannes Roßnagel, główny badacz i fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu w Moguncji. Odwrotność. „Pokazaliśmy, że jest to możliwe”.

Roßnagel i jego zespół rozpoczęli projekt cztery lata temu, kiedy chcieli zbadać efekty kwantowe w termodynamice i pomyśleli, że najlepszym sposobem eksperymentowania będzie stworzenie silnika. Musieli zbudować wszystko od podstaw na niewielkim budżecie kilkuset euro, mówi. Musieli skonstruować spersonalizowaną elektronikę i system, który mógłby kontrolować jon na bardzo precyzyjnym poziomie. Opracowanie techniki uzyskiwania pomiarów temperatury zajęło im cały rok - powszechne metody są zbyt powolne lub niedokładne dla silnika.

Ostatecznie otrzymali pułapkę jonową o długości ośmiu milimetrów i średnicy czterech milimetrów ze złotymi płytkami i elektrodami, które oddzielały samotny atom wapnia (ale każdy naładowany atom mógł wykonać zadanie) wewnątrz pola elektromagnetycznego. Dwa lasery wskazują na końce pułapki, jeden podgrzewa atom, a drugi go chłodzi. Ta fluktuacja temperatury powoduje, że jon tworzy stale rosnące oscylacje harmoniczne - jak fala dźwiękowa. To ten sam pomysł, co większe silniki termiczne, które wykorzystują gaz lub ciecze do generowania pracy mechanicznej, z wyjątkiem przypadku, gdy jest tylko jedna cząstka, wyjaśnia Roßnagel.

Podczas gdy silnik jednoukładowy może produkować tylko 10-22 watów, ale w rzeczywistości jest porównywalny z silnikiem samochodowym, mówi Roßnagel. Jeśli obliczy się ilość energii poszczególnych cząstek gazu w przeciętnym silniku samochodowym, moc silnika jest tego samego rzędu wielkości, co silnik jednoukładowy.

„To było dla nas bardzo zaskakujące”, mówi Roßnagel. „Oznacza to, że gdy skalujesz taki system do pojedynczej cząstki, nadal działa on na tym samym poziomie co makroskopowe silniki”.

On i jego koledzy wierzą, że ten poziom wydajności wynika z efektów kwantowych, unikalnych właściwości, które mogą być generowane tylko przez pojedyncze atomy i cząstki. Roßnagel wyjaśnia, że ​​termodynamiczne efekty kwantowe sprawią, że silniki nie będą musiały polegać na temperaturze jako jedynym źródle energii, a właściwości kwantowe silnika o pojedynczym atomie mają potencjał generowania jeszcze większej mocy niż silnik cieplny. Jednak fizycy z zewnątrz nie są tacy pewni.

„Nie zaakceptowałbym tej skuteczności tylko z„ dziwności mechaniki kwantowej ”, Hartmuta Häffnera, fizyka teoretycznego z University of California w Berkeley, który nie był zaangażowany w eksperyment, powiedział w 2014 roku, kiedy Roßnagel napisał propozycję dotyczącą silnika. Häffner dodaje, że sam silnik z pojedynczym atomem „jest bardzo interesujący i bardzo dobrze opisany. Próbuje przesunąć granice tego, co wiemy o termodynamice, do nowego reżimu. ”

Jednosatomowy silnik Roßnagela i jego zespół jest najmniejszym silnikiem, o którym wie, że istnieje dzisiaj. Istnieje jednak możliwość stworzenia jeszcze mniejszych z pojedynczym elektronem, ale nie wierzy on, by istniało jakiekolwiek zainteresowanie w jego dążeniu. „Mamy pojedynczą cząstkę, która działa w silniku i czy jest to atom wapnia, czy elektron, z naszego punktu widzenia, nie ma znaczenia”.

Następnie Roßnagel chce zbudować małe lodówki z technologią. Obracając cykl termodynamiczny, silnik z pojedynczym atomem będzie działał dokładnie jak lodówka, wyjaśnia. System generuje różnicę temperatur, tworząc stronę, która jest ogrzewana, i stronę chłodzoną - podobnie jak nasze urządzenia do przechowywania żywności. W dalekiej przyszłości może również zobaczyć te nanoskalowe silniki poprawiające układy scalone i tranzystory pojedynczego atomu.

„Ciepło wytwarzane podczas operacji jest bardzo dużym problemem dla przemysłu chipów. Myślę, że posiadanie dodatkowych systemów chłodzenia byłoby bardzo pomocne ”, mówi.

Niezależnie od tego, co dokładnie wynika z ich początkowego silnika jednop atomowego, Roßnagel uważa, że ​​„znajdzie to jakieś większe zastosowanie pewnego dnia”.