Физиците построили супер малък двигател, задвижван от един калциев атом

Физиците са разработили двигател, който не можете да виждате с просто око.

В статия, публикувана днес в списанието наука Изследователският екип от Университета на Майнц и Университета на Касел в Германия създаде електромагнитна система, която улавя един-единствен зареждан атом Калций-40 и я осцилира, като създава енергия точно като паро-локомотив и автомобилни двигатели. И поради квантово-механичното състояние на този малък двигател, физиците смятат, че системата работи на същото ниво и дори може да бъде по-ефективна от средния автомобилен двигател.

"Има много теоретични обяснения и изследвания в квантовите свойства на двигателите от края на 50-те години", казва водещият изследовател и експериментален физик в Университета на Майнц, Йоханес Роснагел. Inverse. "Вече показахме, че е възможно."

Роснагел и екипът му започнаха проекта преди четири години, когато искаха да изследват квантовите ефекти в термодинамиката и смятаха, че най-добрият начин за експериментиране е да се създаде двигател. Те трябваше да изградят всичко от нулата с малък бюджет от няколкостотин евро, казва той. Те трябваше да изградят персонализирана електроника и система, която може да контролира йона на много точно ниво. Отне им цяла година само за да развият техниката, за да получат измервания на температурата - обичайните методи са твърде бавни или неточни за техния двигател.

Това, с което се озоваха, беше йонна капан с дължина осем милиметра и четири милиметра с диаметър на златото и електроди, които изолираха самотния калциев атом (но всеки зареден атом можеше да свърши тази работа) в електромагнитно поле. Два лазера сочат към краищата на капана, единият загрява атома, а другият го охлажда. Тази флуктуация на температурата кара йона да създава все по-нарастващо хармонично колебание - като звукова вълна. Това е същата идея, че по-големите термични двигатели, които разчитат на газ или течности да генерират механична работа, освен в този случай има само една частица, обяснява Роснагел.

Докато едноатомовия двигател може да произвежда само 10-22 вата, но всъщност е сравним с автомобилния двигател, казва Роснагел. Ако изчислите количеството енергия на отделните газови частици в средния автомобилен двигател, мощността на двигателя е в същия порядък от единичния двигател.

„Това беше много изненадващо за нас“, казва Роснагел. "Това означава, че когато мащабирате такава система до една частица, тя все още се представя на същото ниво като макроскопичните двигатели."

Той и колегите му вярват, че това ниво на ефективност се дължи на квантовите ефекти, уникални свойства, които могат да бъдат генерирани само от единични атоми и частици. Роснагел обяснява, че термодинамичните квантови ефекти ще го направят така, че двигателите не трябва да разчитат на температурата като единствен източник на енергия и че квантовите свойства на един атом-двигател имат потенциал да генерират дори повече енергия от термичния двигател. Външните физици обаче не са толкова сигурни.

"Не бих приела тази ефективност само от" странността на квантовата механика ", казва Хартмут Хафнер, теоретик-физик от Калифорнийския университет, Бъркли, който не участва в експеримента. през 2014 г., когато Роснагел е написал предложение за хартия за двигателя. Häffner добавя, че потенциалът на един-единствен атом-двигател “е много интересен и много добре описан. Това се опитва да прокара границите на това, което знаем за термодинамиката, в нов режим."

Едноатомовия двигател Роснагел и неговият екип са най-малкият двигател, за който знае, че съществува днес. Все пак, има възможност да се създадат още по-малки с един електрон, но той не вярва, че има интерес да се преследва. "Имаме една единствена частица, която се движи в двигателя и дали това е калциев атом или електрон, от нашата изследователска гледна точка, това не променя."

След това Роснагел иска да построи малки хладилници с технологията. Обръщайки термодинамичния цикъл наоколо, един атомният двигател щеше да работи точно като хладилник, обяснява той. Те генерират разлика в температурата, като създават страна, която се нагрява, и страна, която се охлажда - като нашите устройства за съхранение на храни. В далечното бъдеще той може да види и тези наноразмерни двигатели, които подобряват чиповете и транзисторите с един атом.

„Топлината, която се произвежда по време на операция, е много огромен проблем за чип индустрията. Мисля, че да имам допълнителни системи за охлаждане биха били много полезни ”, казва той.

Независимо от това, което точно излиза от първоначалния си един-атомен двигател, Роснагел вярва, че "това ще намери някои по-големи приложения някой ден."