Fizičari su izgradili super maleni motor s jednim kalcijevim atomom

Fizičari su razvili motor koji ne možete vidjeti golim okom.

U radu objavljenom danas u časopisu Znanost Istraživački tim Sveučilišta u Mainzu i Sveučilište u Kasselu u Njemačkoj stvorili su elektromagnetski sustav koji hvata jedan napunjeni atom kalcija-40 i oscilira ga, stvarajući energiju poput parno-lokomotivnih i automobilskih motora. A zbog kvantno-mehaničkog stanja ovog malog motora, fizičari vjeruju da sustav radi na istoj razini i čak može biti učinkovitiji od prosječnog motornog automobila.

"Bilo je mnogo teorijskih objašnjenja i istraživanja u kvantnim svojstvima motora od kasnih 50-ih godina", kaže glavni istraživač i eksperimentalni fizičar sa Sveučilišta u Mainzu, Johannes Roßnagel. Inverzan. "Sada smo pokazali da je to moguće."

Roßnagel i njegov tim krenuli su u projekt prije četiri godine kada su željeli istražiti kvantne efekte u termodinamici i mislili da je najbolji način eksperimentiranja stvaranje motora. Morali su izgraditi sve od nule na malom proračunu od nekoliko stotina eura, kaže on. Morali su konstruirati personaliziranu elektroniku i sustav koji bi mogao kontrolirati ion na vrlo preciznoj razini. Trebalo im je cijelu godinu samo da razviju tehniku ​​za mjerenje temperature - uobičajene metode su suviše spore ili netočne za njihov motor.

Na kraju su dobili ionsku zamku dugu osam milimetara i četiri milimetra u promjeru sa zlatnim pločama i elektrodama koje su izolirale usamljeni atom kalcija (ali svaki nabijeni atom mogao je obaviti posao) unutar elektromagnetskog polja. Dva lasera ukazuju na krajeve zamke, jedan zagrijava atom, a drugi ga hladi. Ta fluktuacija temperature dovodi ion do stvaranja sve veće harmonijske oscilacije - poput zvučnog vala. To je ista ideja kao i veći termalni motori koji se oslanjaju na plin ili tekućine za generiranje mehaničkog rada, osim u ovom slučaju postoji samo jedna čestica, objašnjava Roßnagel.

Dok je motor s jednim atomom mogao proizvoditi samo 10-22 vata, ali je zapravo usporediv s automobilskim motorom, kaže Roßnagel. Ako izračunate količinu energije pojedinih čestica plina u prosječnom automobilskom motoru, snaga motora je u istom redu veličine od motora s jednim atomom.

"To nam je bilo vrlo iznenađujuće", kaže Roßnagel. "To znači da kada se takav sustav proširi na jednu česticu, ona još uvijek funkcionira na istoj razini kao i makroskopski motori."

On i njegovi kolege vjeruju da je ta razina učinkovitosti posljedica kvantnih učinaka, jedinstvenih svojstava koja se mogu generirati samo kroz pojedinačne atome i čestice. Roßnagel objašnjava da bi termodinamički kvantni učinci učinili da se motori ne moraju oslanjati na temperaturu kao jedini izvor energije, te da kvantna svojstva motora s jednim atomom mogu generirati još veću snagu od toplinskog motora. Međutim, vanjski fizičari nisu tako sigurni.

"Ne bih prihvatio tu učinkovitost samo iz" čudnosti kvantne mehanike ", rekao je Hartmut Häffner, teoretski fizičar sa Sveučilišta u Kaliforniji, Berkeley, koji nije bio uključen u eksperiment. 2014. godine kada je Roßnagel napisao prijedlog o motoru. Häffner dodaje da je potencijalni motor s jednim atomom “vrlo zanimljiv i vrlo dobro opisan. Pokušava gurnuti granice onoga što znamo o termodinamici u novi režim."

Jednodomni motor Roßnagel i njegov tim izgrađeni su najmanji motor za koji zna da danas postoji. Ipak, postoji mogućnost stvaranja čak i manjih s jednim elektronom, ali on ne vjeruje da postoji interes da ga se slijedi. "Imamo jednu česticu koja se pokreće u motoru, i da li je to kalcijev atom ili elektron, s našeg gledišta istraživanja, to ne čini razliku."

Zatim, Roßnagel želi izgraditi male frižidere s tehnologijom. Okrećući termodinamički ciklus, motor s jednim atomom bi radio točno kao hladnjak, objašnjava on. Sustav generira temperaturnu razliku, stvarajući stranu koja se zagrijava i stranu koja se hladi - poput naših uređaja za skladištenje hrane. U dalekoj budućnosti, on također može vidjeti te nano-skale motora koji poboljšavaju čipove i tranzistore s jednim atomom.

“Toplina koja se proizvodi tijekom operacije je vrlo veliki problem za industriju čipova. Mislim da bi bilo korisno imati dodatne sustave hlađenja, ”kaže on.

Bez obzira na to što točno izlazi iz početnog motora s jednim atomom, Roßnagel vjeruje da će "to jednog dana pronaći neke veće aplikacije."