Natuurkundigen bouwden een Super Tiny-motor aangedreven door een enkele calciumatomen

Natuurkundigen hebben een motor ontwikkeld die je met het blote oog niet kunt zien.

In een krant die vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap, het onderzoeksteam van de Universiteit van Mainz en de Universiteit van Kassel in Duitsland creëerde een elektromagnetisch systeem dat een enkel geladen Calcium-40-atoom vasthoudt en oscilleert, waardoor energie wordt gecreëerd net als locomotief- en automotoren. En vanwege de kwantummechanische staat van deze kleine motor, geloven de fysici dat het systeem op hetzelfde niveau werkt en zelfs efficiënter kan zijn dan de gemiddelde motor van een auto.

"Sinds eind jaren vijftig zijn er veel theoretische verklaringen en onderzoeken in kwantumeigenschappen van motoren," hoofdonderzoeker en experimenteel fysicus aan de Universiteit van Mainz, vertelt Johannes Roßnagel. Inverse. "We hebben nu aangetoond dat het mogelijk is."

Roßnagel en zijn team begonnen vier jaar geleden aan het project, toen ze kwantumeffecten in de thermodynamica wilden verkennen, en dachten dat de beste manier om te experimenteren het bouwen van een motor zou zijn. Ze moesten alles vanaf nul opbouwen met een klein budget van een paar honderd euro, zegt hij. Ze moesten gepersonaliseerde elektronica bouwen en een systeem dat de ion op een zeer nauwkeurig niveau kon regelen. Het kostte ze een heel jaar om de techniek te ontwikkelen om temperatuurmetingen te verrichten - veel voorkomende methoden waren te traag of onnauwkeurig voor hun motor.

Waar ze mee eindigden was een ionenval van acht millimeter lang en vier millimeter in diameter met gouden platen en elektroden die het enige calciumatoom (maar elk geladen atoom kon het werk doen) in een elektromagnetisch veld opslokte. Twee lasers wijzen naar de uiteinden van de val, de een verwarmt het atoom en de ander koelen het af. Deze fluctuatie in temperatuur drijft het ion aan om een ​​steeds groter wordende harmonische oscillatie te creëren - zoals een geluidsgolf. Het is hetzelfde idee als grotere thermische motoren die afhankelijk zijn van het gas of vloeistoffen om mechanisch werk te genereren, behalve in dit geval is er slechts één deeltje, legt Roßnagel uit.

Terwijl de single-atom engine slechts 10-22 watt kon produceren, maar eigenlijk vergelijkbaar is met een automotor, zegt Roßnagel. Als u de hoeveelheid energie van afzonderlijke gasdeeltjes in de gemiddelde motor van een auto berekent, is het vermogen van de motor in dezelfde orde van grootte als de motor met één atoom.

"Dit was erg verrassend voor ons," zegt Roßnagel. "Dit betekent dat wanneer je een dergelijk systeem opschaalt tot een enkel deeltje, het nog steeds op hetzelfde niveau presteert als macroscopische engines."

Hij en zijn collega's geloven dat dit niveau van efficiëntie te wijten is aan kwantumeffecten, unieke eigenschappen die alleen kunnen worden gegenereerd door afzonderlijke atomen en deeltjes. Roßnagel legt uit dat thermodynamische kwantumeffecten ervoor zorgen dat motoren niet hoeven te vertrouwen op temperatuur als enige energiebron, en dat de quantumeigenschappen van een enkel-atomige motor het potentieel hebben om nog meer vermogen te genereren dan een thermische motor. Echter, buiten fysici zijn niet zo zeker.

"Ik zou niet accepteren dat deze efficiëntie komt door 'de vreemdheid van de kwantummechanica'," Hartmut Häffner, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley, die niet bij het experiment betrokken was, vertelde in 2014, toen Roßnagel een voorstel schreef over de motor. Häffner voegt eraan toe dat de potentiële single-atom engine zelf "erg interessant en zeer goed beschreven is. Het probeert de grenzen te verleggen van wat we weten over thermodynamica in een nieuw regime."

De RoNnagel-motor met één atoom en zijn team is de kleinste motor waarvan hij weet dat hij vandaag bestaat. Toch is er een mogelijkheid om nog kleinere te maken met een enkel elektron, maar hij gelooft niet dat er enige interesse is om er een na te streven. "We hebben een enkel deeltje dat in de motor loopt, en of dit een calciumatoom of een elektron is, vanuit ons onderzoeksoogpunt maakt het geen verschil."

Vervolgens wil Roßnagel kleine koelkasten bouwen met de technologie. Door de thermodynamische cyclus rond te draaien, zou de motor met één atoom precies hetzelfde zijn als een koelkast, legt hij uit. Het systeem genereert een temperatuurverschil, waardoor een kant wordt gemaakt die wordt verwarmd en een kant die wordt gekoeld - zoals onze apparaten voor voedselopslag. In de verre toekomst kan hij deze nanoschaalmotoren ook verbeteren door het verbeteren van chips en transistoren met een enkel atoom.

"De hitte die tijdens een operatie wordt geproduceerd, is een enorm groot probleem voor de chipindustrie. Ik denk dat extra koelsystemen bij de hand zijn zou erg nuttig zijn, "zegt hij.

Ongeacht wat er precies uit hun eerste single-atom-engine komt, gelooft Roßnagel dat dit op een dag een aantal grotere applicaties zal vinden.