Fizikusok építettek egy szuper apró motort, amelyet egyetlen kalcium-atom használ

A fizikusok kifejlesztettek egy olyan motort, amelyet nem láthatsz szabad szemmel.

A folyóiratban ma közzétett dokumentumban Tudomány A németországi Mainzi Egyetem és a Kasseli Egyetem kutatócsoportja olyan elektromágneses rendszert hozott létre, amely egyetlen feltöltött kalcium-40 atomot csapdába esett, és oszcillálja, így energiát hoz létre, mint a gőzmozdony és az autómotorok. És ennek a kis motornak a kvantummechanikai állapota miatt a fizikusok úgy vélik, hogy a rendszer ugyanazon a szinten működik, és még hatékonyabb is lehet, mint az átlagos autómotor.

„Az elmúlt 50-es évek óta rengeteg elméleti magyarázatot és vizsgálatot végeztek a motorok kvantum-tulajdonságaiban”, mondja a Mainz Egyetem vezető kutatója és kísérleti fizikusa, Johannes Roßnagel. Inverz. - Most megmutattuk, hogy lehetséges.

Roßnagel és csapata négy évvel ezelőtt kezdte meg a projektet, amikor a termodinamikában kvantumhatásokat akartak felfedezni, és azt hitték, hogy a legjobb módszer a motor létrehozása. Azt mondja, mindent a semmiből kellett építeni, néhány száz eurónyi kis költségvetéssel. Személyre szabott elektronikát kellett kiépíteniük, és olyan rendszert kellett kialakítaniuk, amely nagyon precízen irányíthatja az iont. Egész évig tartott, hogy kifejlessze a technikát a hőmérséklet-mérések elérése érdekében - a szokásos módszerek túl lassúak vagy pontatlanok a motorjuk számára.

Ami végül egy nyolc milliméteres és négy milliméteres átmérőjű ioncsapdát tartalmazott aranylemezekkel és elektródákkal, amelyek az elektromágneses mezőn belül elválasztották a magányos kalcium-atomot (de minden feltöltött atom megtehette a munkát). Két lézer mutat a csapdába, az egyik felmelegíti az atomot és a másik lehűti. Ez a hőmérséklet-ingadozás az ionot egyre növekvő harmonikus oszcillációhoz vezet - mint egy hanghullám. Ugyanaz az elképzelés, mint a nagyobb termikus motorok, amelyek a gázra vagy a folyadékokra támaszkodnak, hogy mechanikai munkát hozzanak létre, kivéve ebben az esetben csak egy részecske, Roßnagel magyarázza.

Míg az egy atomos motor csak 10-22 wattot tudott előállítani, de valójában összehasonlítható egy autómotorral, mondja Roßnagel. Ha kiszámítja az egyes gázrészecskék energiamennyiségét az átlagos autómotorban, a motor teljesítménye ugyanolyan nagyságrendben van, mint az egy atomos motor.

- Ez nagyon meglepő számunkra - mondja Roßnagel. „Ez azt jelenti, hogy ha egy ilyen rendszert egy részecske-méretűre méretezünk, akkor a makroszkopikus motorokkal azonos szinten marad.”

Ő és munkatársai úgy vélik, hogy ez a hatékonysági szint kvantumhatások, egyedi tulajdonságok, amelyek csak egyetlen atomon és részecskén keresztül keletkezhetnek. Roßnagel elmagyarázza, hogy a termodinamikai kvantumhatások megnehezítik, hogy a motoroknak nem kell támaszkodniuk a hőmérsékletre, mint egyetlen energiaforrásra, és hogy az egy atomos motor kvantum tulajdonságai potenciálisan még több energiát generálnak, mint a termikus motor. A külső fizikusok azonban nem olyan biztosak.

„Nem fogadnám el ezt a hatékonyságot a„ kvantummechanika furcsasága ”miatt” Hartmut Häffner, a Kaliforniai Egyetem elméleti fizikusa, Berkeley, aki nem vett részt a kísérletben. 2014-ben, amikor Roßnagel javaslatot írt a motorról. Häffner hozzáteszi, hogy maga a potenciális egy atomos motor is nagyon érdekes és nagyon jól ismert. Megpróbáljuk a termodinamikáról ismert tudáshatárokat új rendszerbe tolni.

A Roßnagel és az általa épített egy atomos motor a legkisebb motorja, amit ma már létezik. Mégis van lehetőség, hogy még kisebbeket is létrehozhassunk egyetlen elektrondal, de nem hiszi, hogy érdekelne egy ilyen. „Van egy olyan részecske, amely a motorban fut, és hogy ez egy kalcium-atom vagy elektron, kutatási szempontból nem változik.”

Ezután Roßnagel apró hűtőszekrényeket kíván építeni a technológiával. A termodinamikai ciklus megfordításával az egy atomos motor pontosan úgy fog futni, mint egy hűtőszekrény. A rendszer hőmérsékletkülönbséget generál, és egy olyan oldalt hoz létre, amely fűtött és egy lehűlt oldala - mint az élelmiszer-tároló készülékeink. A távoli jövőben is láthatja ezeket a nanoméretű motorokat, amelyek javítják a chipeket és az egy atomtranzisztorokat.

„A művelet során keletkező hő igen nagy probléma a chip ipar számára. Úgy gondolom, hogy további hűtőrendszerek állnak rendelkezésre, nagyon hasznos lenne ”- mondja.

Függetlenül attól, hogy pontosan mi jön ki a kezdeti egyszeri atommotorjukból, Roßnagel úgy véli, hogy „ez néhány nagyobb alkalmazást fog találni egy nap.”