Fyzici vytvořili Super Tiny Engine poháněný jedním vápníkem Atom

Fyzici vyvinuli motor, který nevidíte pouhým okem.

V novinách publikovaných dnes v časopise Věda, výzkumný tým z University of Mainz a University of Kassel v Německu vytvořil elektromagnetický systém, který zachycuje jeden nabitý atom vápníku-40 a osciluje, vytváří energii stejně jako parní lokomotiva a motory automobilů. Kvůli kvantovému mechanickému stavu tohoto malého motoru se fyzici domnívají, že systém funguje na stejné úrovni a může být dokonce účinnější než průměrný motor automobilu.

„Od konce padesátých let bylo mnoho teoretických vysvětlení a zkoumání kvantových vlastností motorů,“ říká vedoucí výzkumník a experimentální fyzik na University of Mainz Johannes Roßnagel. Inverzní. „Nyní jsme ukázali, že je to možné.“

Roßnagel a jeho tým se pustili do projektu před čtyřmi lety, když chtěli prozkoumat kvantové efekty v termodynamice, a mysleli, že nejlepším způsobem, jak experimentovat, je vytvořit motor. Museli stavět vše od nuly na malém rozpočtu několika set eur, říká. Museli konstruovat personalizovanou elektroniku a systém, který mohl řídit ionty na velmi přesné úrovni. Trvalo jim celý rok, jen aby vyvinuli techniku ​​pro měření teploty - běžné metody jsou příliš pomalé nebo nepřesné pro jejich motor.

To, čeho skončili, bylo osm milimetrů dlouhé a čtyř milimetrové v průměru se zachycovačem iontů se zlatými deskami a elektrodami, které oddělily osamocený atom vápníku (ale jakýkoli nabitý atom mohl dělat práci) uvnitř elektromagnetického pole. Dva lasery směřují ke konci pasti, jeden ohřívá atom a druhý ho ochlazuje. Toto kolísání teploty vede k tomu, že iont vytváří stále rostoucí harmonické kmity - jako zvuková vlna. Je to stejná myšlenka jako větší tepelné motory, které se spoléhají na to, že plyn nebo kapaliny vytvářejí mechanickou práci, s výjimkou tohoto případu existuje jen jedna částice, vysvětluje Roßnagel.

Zatímco motor s jedním atomem může produkovat pouze 10-22 wattů, ale je ve skutečnosti srovnatelný s motorem automobilu, říká Roßnagel. Pokud vypočítáváte množství energie jednotlivých částic plynu v průměrném motorovém vozidle, je výkon motoru ve stejném pořadí, v jakém je velikost motoru s jedním atomem.

„To bylo pro nás velmi překvapivé,“ říká Roßnagel. „To znamená, že když takový systém nastavíte na jednu částici, stále funguje na stejné úrovni jako makroskopické motory.“

On a jeho kolegové věří, že tato úroveň efektivity je způsobena kvantovými efekty, jedinečnými vlastnostmi, které mohou být generovány pouze prostřednictvím jednotlivých atomů a částic. Roßnagel vysvětluje, že termodynamické kvantové efekty by to umožnily, aby se motory nemusely spoléhat na teplotu jako jediný zdroj energie, a že kvantové vlastnosti motoru s jedním atomem mají potenciál generovat ještě více energie než tepelný motor. Externí fyzici však nejsou tak jistí.

„Nepřijal bych tuto efektivitu jen z„ podivnosti kvantové mechaniky “,“ řekl Hartmut Häffner, teoretický fyzik na University of California, Berkeley, který se do experimentu nezapojil. v roce 2014, kdy Roßnagel napsal návrhový dokument o motoru. Häffner dodává, že potenciální samotný atomový atom je velmi zajímavý a velmi dobře popsaný. Snaží se posunout hranice toho, co víme o termodynamice, do nového režimu. “

Jednomotorový motor Roßnagel a jeho tým postavený je nejmenším motorem, o kterém ví, že dnes existuje. Přesto existuje možnost vytvořit i menší elektrony s jedním elektronem, ale nevěří, že by o ně měl zájem. "Máme jedinou částici, která běží v motoru, a ať už se jedná o atom vápníku nebo elektron, z našeho výzkumného hlediska to není rozdíl."

Roßnagel chce postavit malé chladničky s technologií. Otočením termodynamického cyklu by jednos atomový motor běžel přesně jako lednice, vysvětluje. Systém vytváří teplotní rozdíl, který vytváří stranu, která se zahřívá, a stranu, která je chlazena - podobně jako naše spotřebiče pro skladování potravin. V daleké budoucnosti, on může také vidět tyto nanoscale motory zlepšovat čipy a tranzistory jednoho atomu.

„Teplo, které vzniká během operace, je pro odvětví čipů velmi obrovským problémem. Myslím si, že další chladicí systémy by byly velmi užitečné, “říká.

Bez ohledu na to, co přesně vychází z jejich počátečního jedno atomového motoru, Roßnagel věří, že „tento den najde nějaké větší aplikace“.