Fysiker byggde en super liten motor som drivs av en enkelkalciumatom

Fysiker har utvecklat en motor som du inte kan se med blotta ögat.

I ett papper publicerat idag i tidningen Vetenskap forskargruppen från universitetet i Mainz och universitetet i Kassel i Tyskland skapade ett elektromagnetiskt system som fäller en laddad kalcium-40-atom och oscillerar den, vilket skapar energi, precis som ånglokomotiv och bilmotorer. Och på grund av den här småmotorens kvantmekaniska tillstånd tror fysikerna att systemet fungerar på samma nivå och kan till och med vara effektivare än den genomsnittliga bilmotorn.

"Det har varit en hel del teoretiska förklaringar och undersökningar i kvanteegenskaper hos motorer sedan sena 50-talet," ledande forskare och experimentell fysiker vid University of Mainz, Johannes Roßnagel berättar Omvänd. "Vi har nu visat att det är möjligt."

Roßnagel och hans team började projektet för fyra år sedan när de ville utforska kvanteffekter i termodynamik, och trodde att det bästa sättet att experimentera skulle vara att skapa en motor. De var tvungna att bygga allt från början till en liten budget på några hundra euro, säger han. De var tvungna att konstruera personlig elektronik och ett system som kunde styra jonen på en mycket exakt nivå. Det tog dem ett helt år bara för att utveckla tekniken för att få temperaturmätningar - vanliga metoder är för långsamma eller felaktiga för sin motor.

Vad de hamnade med var en åtta millimeter lång och fyra millimeter-i-diameter jonfälla med guldplattor och elektroder som sekvestrerar den lone kalciumatomen (men vilken laddad atom som helst kan göra jobbet) inom ett elektromagnetiskt fält. Två lasrar pekar i ändarna av fällan, en värmer upp atomen och den andra kyler den ner. Denna variation i temperaturen driver jonen för att skapa en ständigt ökande harmonisk svängning - som en ljudvåg. Det är samma idé som större termiska motorer som bygger på gas eller vätskor för att generera mekaniskt arbete, förutom i det här fallet finns bara en partikel, förklarar Roßnagel.

Medan single-atommotorn bara kunde producera 10-22 watt, men är faktiskt jämförbar med en bilmotor, säger Roßnagel. Om du beräknar mängden energi för enskilda gaspartiklar i den genomsnittliga bilmotorn, är motorns kraft i samma storleksordning som single-atommotorn.

"Det var väldigt överraskande för oss", säger Roßnagel. "Det betyder att när du skala ett sådant system ner till en enda partikel, är det fortfarande på samma nivå som makroskopiska motorer gör."

Han och hans kollegor tror att denna effektivitetsnivå beror på kvanteffekter, unika egenskaper som endast kan genereras genom enstaka atomer och partiklar. Roßnagel förklarar att termodynamiska kvanteffekter skulle göra det så att motorer inte behöver förlita sig på temperaturen som en enda energikälla och att en enatomsmotorens kvantegenskaper har potential att generera ännu mer effekt än en termisk motor. Men externa fysiker är inte så säkra.

"Jag skulle inte acceptera den här effektiviteten är bara från quantummekanikens konstiga," berättade Hartmut Häffner, en teoretisk fysiker vid University of California, Berkeley, som inte var involverad i experimentet. i 2014 när Roßnagel skrev ett förslagspapper om motorn. Häffner tillägger att den potentiella single-atommotorn själv "är mycket intressant och mycket väl beskriven. Det försöker driva gränserna för vad vi vet om termodynamik till en ny regim."

Single-atommotorn Roßnagel och hans lagbyggda är den minsta motorn som han vet finns idag. Ändå finns det möjlighet att skapa ännu mindre med en enda elektron, men han tror inte att det finns något intresse av att driva en. "Vi har en enda partikel som körs i motorn, och om det här är en kalciumatom eller en elektron, ur vårt forskningssynpunkt, gör det ingen skillnad."

Sedan vill Roßnagel bygga små kylskåp med tekniken. Genom att vrida den termodynamiska cykeln runt, skulle single-atommotorn springa exakt som ett kylskåp, förklarar han. Systemet genererar en temperaturskillnad, skapar en sida som värms upp och en sida som kyls - som våra matlagringsapparater. På lång sikt kan han också se dessa nanoskala-motorer som förbättrar chips och singeltomtransistorer.

"Värmen som produceras under en operation är ett mycket stort problem för chipindustrin. Jag tror att ha ytterligare kylsystem vid handen skulle vara till stor hjälp, säger han.

Oavsett vad som exakt kommer ut ur sin initiala single-atommotor tror Roßnagel "det här kommer att hitta några större applikationer någon dag."