Fizicienii au construit un motor Super Tiny, alimentat de un singur atom de calciu

Fizicienii au dezvoltat un motor pe care nu îl puteți vedea cu ochiul liber.

Într-o lucrare publicată astăzi în jurnal Ştiinţă, echipa de cercetare de la Universitatea din Mainz și Universitatea din Kassel din Germania a creat un sistem electromagnetic care captează un singur atom de calciu-40 încărcat și îl oscilează, creând energia la fel ca motoarele cu vapori și locomotivele. Și din cauza stării mecanice cuantice a acestui mic motor, fizicienii cred că sistemul funcționează la același nivel și poate fi chiar mai eficient decât motorul mediu de mașină.

"Au existat o mulțime de explicații și investigații teoretice privind proprietățile cuantice ale motoarelor de la sfârșitul anilor '50", a declarat cercetătorul principal și fizicianul experimental la Universitatea din Mainz, Johannes Roßnagel Invers. "Am arătat acum că este posibil."

Roßnagel și echipa sa s-au angajat în proiect acum patru ani când au vrut să exploreze efectele cuantice în termodinamică și au crezut că cea mai bună cale de a experimenta ar fi crearea unui motor. Ei trebuiau să construiască totul, de la zero, la un buget mic de câteva sute de euro, spune el. Ei trebuiau să construiască electronice personalizate și un sistem care să poată controla ionul la un nivel foarte precis. Le-a luat un an întreg doar pentru a dezvolta tehnica pentru a obține măsurători de temperatură - metodele comune fiind prea lentă sau inexactă pentru motorul lor.

Ceea ce au ajuns au fost o capcană de ioni cu opt milimetri și patru milimetri în diametru, cu plăci de aur și electrozi care sechestrau atomul de calciu singur (dar orice atom încărcat ar putea face treaba) într-un câmp electromagnetic. Două lase indică la capătul capcanului, unul încălzind atomul și celălalt răcind-o. Această fluctuație a temperaturii conduce ionul pentru a crea o oscilație armonică tot mai mare - ca un val de sunet. Este aceeași idee ca și motoarele termice mai mari care se bazează pe gaz sau lichide pentru a genera lucrări mecanice, cu excepția cazului în care există doar o singură particulă, explică Roßnagel.

În timp ce motorul cu un singur atom ar putea produce doar 10-22 wați, dar este de fapt comparabil cu un motor de mașină, spune Roßnagel. Dacă se calculează cantitatea de energie a particulelor individuale de gaz în motorul mașinii medii, puterea motorului este în aceeași ordine de mărime decât motorul cu un singur atom.

"A fost foarte surprinzător pentru noi", spune Roßnagel. "Acest lucru înseamnă că, atunci când scalați un astfel de sistem până la o singură particulă, acesta continuă să funcționeze la același nivel ca și motoarele macroscopice."

El și colegii săi consideră că acest nivel al eficienței se datorează efectelor cuantice, proprietăților unice care pot fi generate numai prin atomi și particule individuale. Roßnagel explică faptul că efectele cuantice termodinamice ar face-o, astfel încât motoarele nu trebuie să se bazeze pe temperatură ca singură sursă de energie și că proprietățile cuantice ale unui singur atom are un potențial de a genera chiar mai multă putere decât un motor termic. Cu toate acestea, fizicienii din afara nu sunt atât de siguri.

"Nu aș accepta că această eficiență este doar din" ciudățenia mecanicii cuantice ", a declarat Hartmut Häffner, fizician teoretic la Universitatea din California, Berkeley, care nu a fost implicat în experiment în 2014, când Roßnagel a scris o propunere despre motor. Häffner adauga ca potentialul motor cu un singur atom "este foarte interesant si foarte bine descris. Încearcă să împingă limitele a ceea ce știm despre termodinamică într-un nou regim."

Motorul cu un singur atom Roßnagel și echipa sa construită este cel mai mic motor pe care știe că există astăzi. Cu toate acestea, există posibilitatea de a crea chiar și mai mici, cu un singur electron, dar el nu crede că există vreun interes în urmărirea unuia. "Avem o singură particulă care rulează în motor și dacă acesta este un atom de calciu sau un electron, din punct de vedere al cercetării noastre, nu are nicio diferență".

În continuare, Roßnagel dorește să construiască frigidere minuscule cu tehnologia. Prin rotirea ciclului termodinamic, motorul cu un singur atom ar fugi exact ca un frigider, explica el. Sistemul generează o diferență de temperatură, creând o parte încălzită și o parte răcită - ca și aparatele noastre de depozitare a alimentelor. În viitorul îndepărtat, el poate vedea și aceste motoare nanometrice care îmbunătățesc chips-urile și tranzistoarele cu atomi atomici.

"Căldura produsă în timpul unei operațiuni este o problemă foarte mare pentru industria cipurilor. Cred că pentru a avea sisteme suplimentare de răcire la îndemână ar fi foarte util ", spune el.

Indiferent de ceea ce iese din motorul inițial cu un singur atom, Roßnagel crede că "în unele zile vor apărea unele aplicații mai mari".