Fiziķi ir izveidojuši Super tiny dzinēju, ko darbina viens kalcija atoms

Fiziķi ir izstrādājuši dzinēju, ko jūs nevarat redzēt ar neapbruņotu aci.

Šodien žurnālā publicētajā dokumentā Zinātne, Vācijas Universitātes Universitātes un Kaseles Universitātes izpētes grupa izveidoja elektromagnētisko sistēmu, kas uztver vienu uzlādētu kalcija-40 atomu un svārstās, radot enerģiju tāpat kā tvaika lokomotīves un automobiļu dzinējus. Un šī mazā dzinēja kvantu mehāniskā stāvokļa dēļ fiziķi uzskata, ka sistēma darbojas vienā līmenī un var būt pat efektīvāka par vidējo automobiļu dzinēju.

“Ir bijuši daudz teorētisku skaidrojumu un pētījumu par dzinēju kvantu īpašībām kopš“ 50-to gadu beigām ”, stāsta Mainzas Universitātes Johannes Roßnagel vadošais pētnieks un eksperimentālais fiziķis. Apgrieztā. "Tagad mēs esam parādījuši, ka tas ir iespējams."

Roßnagel un viņa komanda uzsāka projektu pirms četriem gadiem, kad viņi vēlējās izpētīt kvantu efektus termodinamikā, un domāja, ka labākais veids, kā eksperimentēt, būtu radīt motoru. Viņiem bija jāveido viss no nulles uz nelielu budžetu, kas ir pāris simti eiro. Viņiem bija jāizveido personalizēta elektronika un sistēma, kas varētu kontrolēt jonu ļoti precīzi. Tika ņemti veseli gadi, lai izstrādātu tehniku, lai iegūtu temperatūras mērījumus - parastās metodes ir pārāk lēnas vai neprecīzas to dzinējam.

Tas, ko viņi nonāca, bija astoņu milimetru garš un četru milimetru diametrā esošs jonu slazds ar zelta plāksnēm un elektrodiem, kas izdalīja vientuļo kalcija atomu (bet jebkuru uzlādēto atomu varēja veikt darbu) elektromagnētiskā laukā. Divi lāzeri atrodas pie slazda galiem, viens silda atomu un otrs atdzesē. Šī temperatūras svārstības liek jonam radīt arvien pieaugošu harmonisko svārstību - kā skaņas viļņu. Tā ir tāda pati ideja kā lielākiem siltuma dzinējiem, kas paļaujas uz gāzi vai šķidrumiem, lai radītu mehānisku darbu, izņemot šajā gadījumā tikai vienu daļiņu, Roßnagel skaidro.

Viena atoma dzinējs varēja ražot tikai 10-22 vatus, bet faktiski ir salīdzināms ar automobiļu dzinēju, saka Roßnagel. Ja aprēķināsiet atsevišķu gāzu daļiņu enerģiju vidējā automobiļa dzinējā, motora jauda ir tādā pašā apjomā kā viena atoma dzinējs.

"Tas mums bija pārsteidzoši," saka Roßnagel. “Tas nozīmē, ka, ja jūs mērāt šādu sistēmu uz vienu daļiņu, tā joprojām darbojas tādā pašā līmenī kā makroskopiskie dzinēji.”

Viņš un viņa kolēģi uzskata, ka šis efektivitātes līmenis ir saistīts ar kvantu iedarbību, unikālām īpašībām, kuras var radīt tikai ar atsevišķiem atomiem un daļiņām. Roßnagel paskaidro, ka termodinamiskie kvantu efekti padarītu to par tādiem, ka dzinējiem nav jāpaļaujas uz temperatūru kā vienīgo enerģijas avotu, un ka viena atoma dzinēja kvantu īpašībām ir potenciāls radīt vēl lielāku jaudu nekā siltuma dzinējs. Tomēr ārējie fiziķi nav tik pārliecināti.

„Es nedomāju, ka šī efektivitāte ir tikai no„ kvantu mehānikas dīvainības ”,” teica Hartmut Häffner, Kalifornijas Universitātes Berkelejas teorētiskais fiziķis, kurš nebija iesaistīts eksperimentā. 2014. gadā, kad Roßnagel uzrakstīja priekšlikumu par dzinēju. Häffner piebilst, ka potenciālais viena atoma motors ir ļoti interesants un ļoti labi aprakstīts. Tas cenšas virzīt to, ko mēs zinām par termodinamiku, jaunā režīmā. ”

Viena atoma dzinējs Roßnagel un viņa komanda ir mazākais dzinējs, ko viņš zina, ka šodien pastāv. Tomēr ir iespēja izveidot vēl mazākus ar vienu elektronu, bet viņš neuzskata, ka ir interese to īstenot. "Mums ir viena daļiņa, kas darbojas dzinējā, un vai tas ir kalcija atoms vai elektrons, no mūsu pētījuma viedokļa, tas nenozīmē, ka tas ir atšķirīgs."

Pēc tam Roßnagel vēlas veidot nelielas ledusskapjus ar šo tehnoloģiju. Pagriežot termodinamisko ciklu, viendomā motors darbosies tieši tāpat kā ledusskapis, viņš skaidro. Tie rada temperatūras starpību, radot sildāmu pusi un atdzesētu pusi - kā mūsu pārtikas uzglabāšanas ierīces. Tuvākajā nākotnē viņš var redzēt arī šos nanoslāņa dzinējus, kas uzlabo mikroshēmas un viena atoma tranzistorus.

„Operācijas laikā radītais siltums ir ļoti liela problēma mikroshēmu rūpniecībai. Es domāju, ka būtu pieejamas papildu dzesēšanas sistēmas, ”viņš saka.

Neatkarīgi no tā, kas tieši nāk no sākotnējā viena atoma dzinēja, Roßnagel uzskata, ka „tas kādu dienu atradīs vairākus pieteikumus”.