Физичари су направили супер мали мотор са једним калцијум атомом

Физичари су развили мотор који не можете видети голим оком.

У документу који је данас објављен у часопису Наука Истраживачки тим са Универзитета у Маинзу и Универзитета у Касселу у Њемачкој створили су електромагнетски сустав који хвата један напуњени атом калција-40 и осцилира га, стварајући енергију попут парно-локомотивних и аутомобилских мотора. А због квантно-механичког стања овог малог мотора, физичари верују да систем ради на истом нивоу и може чак бити ефикаснији од просечног мотора.

"Од касних 50-тих година постојало је много теоријских објашњења и истраживања у квантним својствима мотора," каже главни истраживач и експериментални физичар са Универзитета у Маинзу, Јоханнес Роßнагел. Инверсе. "Сада смо показали да је то могуће."

Роßнагел и његов тим су се укључили у пројекат прије четири године када су жељели истражити квантне ефекте у термодинамици и мислили да је најбољи начин за експериментирање стварање мотора. Морали су да изграде све од нуле на малом буџету од неколико стотина евра, каже он. Морали су да конструишу персонализовану електронику и систем који би могао да контролише ион на веома прецизном нивоу. Требало им је читаву годину само да развију технику за добијање температурних мерења - уобичајене методе су сувише споре или нетачне за њихов мотор.

На крају су добили јонску замку од осам милиметара и четири милиметра у пречнику са златним плочицама и електродама које су изоловале усамљени атом калцијума (али сваки наелектрисани атом могао је обавити посао) унутар електромагнетног поља. Два ласера ​​указују на крајеве замке, један загрева атом, а други га хлади. Ова флуктуација температуре доводи ион до стварања све веће хармонијске осцилације - као звучни талас. То је иста идеја као и већи термални мотори који се ослањају на гас или течности за генерисање механичког рада, осим у овом случају постоји само једна честица, објашњава Роßнагел.

Док мотор са једним атомом може да произведе само 10-22 вата, али је у ствари упоредив са моторима аутомобила, каже Роßнагел. Ако израчунате количину енергије појединих честица гаса у просечном аутомобилском мотору, снага мотора је у истом реду величине од мотора са једним атомом.

„То нам је било веома изненађујуће“, каже Роßнагел. "То значи да када скалирате такав систем на једну честицу, он још увек ради на истом нивоу као макроскопски мотори."

Он и његове колеге верују да је овај ниво ефикасности резултат квантних ефеката, јединствених особина које се могу генерисати само кроз појединачне атоме и честице. Роснагел објашњава да би термодинамички квантни ефекти учинили да мотори не морају да се ослањају на температуру као једини извор енергије, и да квантна својства једног атома мотора имају потенцијал да генеришу још више енергије од термалног мотора. Међутим, спољни физичари нису тако сигурни.

"Не бих прихватио ову ефикасност само из" чудности квантне механике ", рекао је Хартмут Хаффнер, теоретски физичар са Универзитета у Калифорнији, Беркли, који није био укључен у експеримент. 2014. године када је Роßнагел написао приједлог о мотору. Хаффнер додаје да је сам потенцијални мотор са једним атомом “веома занимљив и врло добро описан. Покушава да гурне границе онога што знамо о термодинамици у нови режим."

Једно-атомски мотор Роßнагел и његов тим су направљени најмањи мотор који он данас зна. Ипак, постоји могућност да се створе чак и мањи са једним електроном, али он не верује да постоји било какав интерес да се то постигне. "Имамо једну честицу која се покреће у мотору, и да ли је то калцијум атом или електрон, са наше истраживачке тачке гледишта, то не чини разлику."

Следеће, Роßнагел жели да направи мале фрижидере са технологијом. Окрећући термодинамички циклус, мотор од једног атома би радио као фрижидер, објашњава он. Систем генерише температурну разлику, стварајући страну која се загрева и страну која се хлади - попут наших уређаја за складиштење хране. У далекој будућности, он такође може да види ове наноскуларне моторе који побољшавају чипове и транзисторе са једним атомом.

“Топлина која се производи током операције је веома велики проблем за индустрију чипова. Мислим да би било корисно имати додатне расхладне системе “, каже он.

Без обзира на то шта тачно произилази из њиховог почетног једнослојног мотора, Роßнагел вјерује да ће "то једног дана наћи неке веће апликације."