Фізики збудували двигун Super Tiny, що працює на одному атомі кальцію

Фізики розробили двигун, який не можна бачити неозброєним оком.

У статті, опублікованій сьогодні в журналі Наука Дослідницька група з Університету Майнца та Університету Касселя в Німеччині створила електромагнітну систему, яка утримує один заряджений атом кальцію і осцилює її, створюючи енергію, подібно до паровозних і автомобільних двигунів. І внаслідок квантово-механічного стану цього крихітного двигуна фізики вважають, що система працює на одному рівні і може бути навіть більш ефективною, ніж середній двигун автомобіля.

"З кінця 50-х років існує багато теоретичних пояснень і досліджень квантових властивостей двигунів", - розповідає головний дослідник і експериментальний фізик з Університету Майнца Йоханнес Роснагель. Обернено. "Ми тепер показали, що це можливо".

Роснагель і його команда розпочали проект чотири роки тому, коли вони хотіли вивчити квантові ефекти в термодинаміці, і вважали, що найкращим способом експерименту буде створення двигуна. Вони повинні були побудувати все з нуля на невеликий бюджет у кілька сотень євро, говорить він. Вони повинні були побудувати персоналізовану електроніку і систему, яка могла б контролювати іон на дуже точному рівні. Вони мали цілий рік лише для розробки техніки для отримання температурних вимірів - звичайні методи були занадто повільними або неточними для свого двигуна.

Те, з чим вони опинилися, - це іонна пастка довжиною вісім міліметрів і чотири міліметра в діаметрі з золотими пластинами і електродами, які утримували самотній атом кальцію (але будь-який заряджений атом міг виконувати цю роботу) всередині електромагнітного поля. Два лазера вказують на кінці пастки, один нагріває атом, а інший охолоджує. Це коливання температури призводить до того, що іон створює постійно зростаюче гармонійне коливання - як звукова хвиля. Це те ж саме, як і великі теплові двигуни, які покладаються на газ або рідини для створення механічної роботи, за винятком випадків, коли є лише одна частка, пояснює Роснагель.

Хоча одноатомний двигун може виробляти лише 10-22 Вт, але насправді можна порівняти з двигуном автомобіля, говорить Роснагель. Якщо розрахувати кількість енергії окремих частинок газу в середньому двигуні автомобіля, потужність двигуна знаходиться в тому ж порядку, що й одноатомний двигун.

«Це дуже дивно для нас», - каже Роснагель. "Це означає, що коли ви масштабуєте таку систему до однієї частки, вона все ще працює на тому ж рівні, що й макроскопічні двигуни".

Він і його колеги вважають, що цей рівень ефективності обумовлений квантовими ефектами, унікальними властивостями, які можуть бути створені тільки через окремі атоми і частинки. Роснагель пояснює, що термодинамічні квантові ефекти зроблять його таким, що двигуни не повинні покладатися на температуру як єдиний джерело енергії, а квантові властивості одноатомних двигунів мають потенціал генерувати ще більше енергії, ніж тепловий двигун. Однак зовнішні фізики не так вже й певні.

"Я б не сприйняв цю ефективність лише з" дивності квантової механіки ", - сказав Хартмут Хеффнер, фізик-теоретик з Каліфорнійського університету Берклі, який не брав участь у експерименті. в 2014 році, коли Роснагель написав папір про двигун. Хеффнер додає, що потенційний одноатомний двигун сам по собі «дуже цікавий і дуже добре описаний. Це намагається висунути межі того, що ми знаємо про термодинаміку, у новий режим."

Єдиний атомний двигун Roßnagel і його команда побудували найменший двигун, який він знає, що існує сьогодні. Проте є можливість створити ще менші з одним електроном, але він не вірить, що є інтерес до його реалізації. "У нас є одна частинка, яка працює в двигуні, і чи є це атом кальцію або електрон, з нашої дослідницької точки зору, це не має значення".

Далі, Роснагель хоче побудувати мініатюрні холодильники з технологією. Обертаючи термодинамічний цикл навколо, одноатомний двигун буде працювати точно так само, як холодильник, пояснює він. Система генерує різницю температур, створюючи сторону, що нагрівається, і сторону, яка охолоджується - як і наші прилади для зберігання продуктів. У далекому майбутньому він також може бачити ці нанорозмірні двигуни, що поліпшують чіпи і транзистори з одним атомом.

«Тепло, яке виробляється під час операції, є дуже великою проблемою для промисловості мікросхем. Думаю, що у мене будуть корисні додаткові системи охолодження », - говорить він.

Незалежно від того, що саме виходить зі свого початкового одноатомного двигуна, Роснагель вважає, що "це знайде якісь більші додатки одного дня".