Физики создали сверхмалый двигатель, работающий на одном атоме кальция

Физики разработали двигатель, который вы не можете увидеть невооруженным глазом.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Наука Исследовательская группа из Университета Майнца и Университета Касселя в Германии создала электромагнитную систему, которая улавливает один заряженный атом кальция-40 и колеблется в нем, создавая энергию точно так же, как паровозы и автомобильные двигатели. И из-за квантово-механического состояния этого крошечного двигателя, физики считают, что система работает на том же уровне и может быть даже более эффективной, чем двигатель среднего автомобиля.

«С конца 50-х годов было много теоретических объяснений и исследований в области квантовых свойств двигателей», - говорит Йоханнес Роснагель, ведущий исследователь и физик-экспериментатор в университете Майнца. Inverse. «Сейчас мы показали, что это возможно».

Роснагель и его команда приступили к проекту четыре года назад, когда они хотели исследовать квантовые эффекты в термодинамике и решили, что лучший способ экспериментировать - создать двигатель. По его словам, они должны были построить все с нуля при небольшом бюджете в несколько сотен евро. Им пришлось создать персонализированную электронику и систему, которая могла бы контролировать ион на очень точном уровне. Им понадобился целый год, чтобы разработать технику для измерения температуры - обычные методы слишком медленные или неточные для их двигателя.

В итоге они получили ионную ловушку длиной восемь миллиметров и диаметром четыре миллиметра с золотыми пластинами и электродами, которая изолировала одинокий атом кальция (но любой заряженный атом мог выполнить эту работу) внутри электромагнитного поля. Два лазера указывают на концы ловушки, один нагревает атом, а другой охлаждает его. Это колебание температуры заставляет ион создавать постоянно увеличивающееся гармоническое колебание - подобно звуковой волне. Эта идея та же, что и у более крупных тепловых двигателей, использующих газ или жидкости для создания механической работы, за исключением того, что в этом случае есть только одна частица, объясняет Роснагель.

Хотя одноатомный двигатель может производить только 10-22 Вт, но на самом деле он сопоставим с автомобильным двигателем, говорит Роснагель. Если рассчитать количество энергии отдельных частиц газа в среднем автомобильном двигателе, мощность двигателя будет в том же порядке, что и у одноатомного двигателя.

«Это было для нас очень удивительно», - говорит Роснагель. «Это означает, что когда вы масштабируете такую ​​систему до одной частицы, она все еще работает на том же уровне, что и макроскопические движки».

Он и его коллеги считают, что этот уровень эффективности обусловлен квантовыми эффектами, уникальными свойствами, которые могут быть получены только через отдельные атомы и частицы. Роснагель объясняет, что из-за термодинамических квантовых эффектов двигатели не должны полагаться на температуру в качестве единственного источника энергии, и что квантовые свойства одноатомного двигателя способны генерировать даже больше энергии, чем тепловой двигатель. Однако сторонние физики не так уверены.

«Я бы не принял эту эффективность просто из-за« странности квантовой механики », - сказал Хартмут Хаффнер, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в эксперименте. в 2014 году, когда Роснагель написал предложение о двигателе. Хаффнер добавляет, что сам потенциальный одноатомный двигатель «очень интересен и очень хорошо описан. Он пытается раздвинуть границы того, что мы знаем о термодинамике, в новый режим ».

Одноатомный двигатель, созданный Роснагелем и его командой, является самым маленьким из известных ему двигателей. Тем не менее, есть возможность создать еще более мелкие с одним электроном, но он не верит, что есть какой-либо интерес к его достижению. «У нас есть единственная частица, которая работает в двигателе, и, будь то атом кальция или электрон, с нашей точки зрения исследований, это не имеет значения».

Затем Роснагель хочет построить крошечные холодильники с технологией. По его словам, если развернуть термодинамический цикл, одноатомный двигатель будет работать точно так же, как холодильник. Они генерируют разницу температур, создавая сторону, которая нагревается, и сторону, которая охлаждается, как наши устройства для хранения продуктов питания. В далеком будущем он также увидит, как эти наноразмерные двигатели улучшают микросхемы и одноатомные транзисторы.

«Тепло, которое выделяется во время работы, является очень большой проблемой для отрасли производства чипов. Я думаю, что иметь под рукой дополнительные системы охлаждения было бы очень полезно », - говорит он.

Роснагель считает, что независимо от того, что именно получится в их первоначальном одноатомном двигателе, «это когда-нибудь найдет более широкое применение».