Fysikere bygget en super lille motor drevet af et enkeltkalciumatom

Fysikere har udviklet en motor, som du ikke kan se med det blotte øje.

I et papir udgivet i dag i tidsskriftet Videnskab Forskergruppen fra University of Mainz og University of Kassel i Tyskland skabte et elektromagnetisk system, der fælder et enkelt ladet calcium-40-atom og oscillerer det, skaber energi ligesom damp-lokomotiv og bilmotorer. Og på grund af den lillemotoriske kvinders mekaniske tilstand tror fysikerne, at systemet fungerer på samme niveau og endda kan være mere effektivt end den gennemsnitlige bilmotor.

"Der har været mange teoretiske forklaringer og undersøgelser i kvanteegenskaber af motorer siden den sene 50'ers ledende forsker og eksperimentel fysiker ved University of Mainz, Johannes Roßnagel, fortæller Inverse. "Vi har nu vist, at det er muligt."

Roßnagel og hans team påbegyndte projektet for fire år siden, da de ønskede at udforske kvantemner i termodynamikken, og troede, at den bedste måde at eksperimentere ville være at skabe en motor. De var nødt til at bygge alt fra bunden på et lille budget på et par hundrede euro, siger han. De var nødt til at konstruere personlig elektronik og et system, der kunne styre ion på et meget præcist niveau. Det tog dem et helt år bare for at udvikle teknikken til at opnå temperaturmålinger - fælles metoder er for langsomme eller unøjagtige for deres motor.

Hvad de endte med var en otte millimeter lang og fire millimeter i diameter ildfælde med guldplader og elektroder, der sekvestrerede det lone calciumatom (men ethvert ladet atom kunne gøre jobbet) inde i et elektromagnetisk felt. To lasere peger i enderne af fælden, en opvarmer atomet og den anden køler den ned. Denne temperaturvariation drev ionet for at skabe en stadigt stigende harmonisk oscillation - som en lydbølge. Det er den samme ide som større termiske motorer, der er afhængige af gas eller væsker til at generere mekanisk arbejde, bortset fra i dette tilfælde er der kun en partikel, forklarer Roßnagel.

Mens single-atommotoren kun kunne producere 10-22 watt, men faktisk kan sammenlignes med en bilmotor, siger Roßnagel. Hvis du beregner mængden af ​​energi af individuelle gaspartikler i den gennemsnitlige bilmotor, er motorkraften i samme størrelsesorden som single-atommotoren.

"Det var meget overraskende for os," siger Roßnagel. "Dette betyder, at når du skalerer et sådant system ned til en enkelt partikel, udfører det stadig på samme niveau som makroskopiske motorer gør."

Han og hans kolleger mener, at dette niveau af effektivitet skyldes kvanteffekter, unikke egenskaber, som kun kan genereres gennem enkeltatomer og partikler. Roßnagel forklarer, at termodynamiske kvanteffekter ville gøre det, så motorer behøver ikke at stole på temperaturen som en eneste energikilde, og at en enkelt atommotorens kvanteegenskaber har potentialet til at generere endnu mere effekt end en termisk motor. Men udenfor fysikere er ikke så sikre.

"Jeg ville ikke acceptere denne effektivitet er lige fra" kvindemekanikkens underlige ", siger Hartmut Häffner, en teoretisk fysiker ved University of California, Berkeley, som ikke var involveret i eksperimentet. i 2014, da Roßnagel skrev et forslagspapir om motoren. Häffner tilføjer, at den potentielle single-atommotor selv "er meget interessant og meget velbeskrevet. Det forsøger at skubbe grænserne for, hvad vi ved om termodynamik til et nyt regime."

Single-atommotoren Roßnagel og hans team bygget er den mindste motor, som han ved, eksisterer i dag. Alligevel er der mulighed for at skabe endnu mindre med en enkelt elektron, men han mener ikke, at der er nogen interesse i at forfølge en. "Vi har en enkelt partikel, der kører i motoren, og om dette er et calciumatom eller en elektron, fra vores forskningssynspunkt, gør det ikke nogen forskel."

Herefter ønsker Roßnagel at lave små køleskabe med teknologien. Ved at dreje den termodynamiske cyklus rundt, ville single-atommotoren løbe præcis som et køleskab, forklarer han. Systemet genererer en temperaturforskel, der skaber en side, der opvarmes, og en side, der afkøles - ligesom vores fødevareoplagringsapparater. I den lange fremtid kan han også se disse nanoskala-motorer, der forbedrer chips og single-atom transistorer.

"Den varme, der produceres under en operation, er et meget stort problem for chipindustrien. Jeg tror at have flere kølesystemer til rådighed, ville være meget hjælpsomme, "siger han.

Uanset hvad der kommer ud af deres oprindelige single-atommotor, mener Roßnagel "dette vil finde nogle større applikationer en dag."