Ang mga Physicist Nagtayo ng isang Super Tiny Engine na Pinatatakbo ng isang Single Atomic Calcium

Ang mga physicist ay nakagawa ng isang engine na hindi mo makita sa mata.

Sa isang papel na inilathala ngayon sa journal Agham, ang koponan ng pananaliksik mula sa Unibersidad ng Mainz at ng Unibersidad ng Kassel sa Alemanya ay lumikha ng isang electromagnetic system na nag-traps ng isang nag-iisang sisingay na Kaltsyum-40 na atom at binubuwisan nito, na lumilikha ng enerhiya tulad ng steam-locomotive at mga makina ng kotse. At dahil sa kundisyon ng mekanikal na kuwantum ng maliit na makina na ito, naniniwala ang mga physicist na ang sistema ay gumagana sa parehong antas at maaaring maging mas mahusay kaysa sa average na engine ng kotse.

"Nagkaroon ng maraming panteorya paliwanag at pagsisiyasat sa mga katangian ng kabuuan ng engine mula sa huli '50s," nangunguna sa pananaliksik at pang-eksperimentong pisisista sa Unibersidad ng Mainz, sinabi ni Johannes Roßnagel Kabaligtaran. "Ipinakita na natin ngayon na posible."

Si Roßnagel at ang kanyang pangkat ay nagsimula sa proyekto apat na taon na ang nakakaraan nang nais nilang galugarin ang mga epekto ng quantum sa termodinamika, at naisip na ang pinakamahusay na paraan upang mag-eksperimento ay upang lumikha ng isang engine. Kinailangan nilang buuin ang lahat mula sa simula sa isang maliit na badyet ng ilang daang Euros, sabi niya. Kinailangan nilang bumuo ng mga personalized na electronics at isang sistema na makokontrol ang ion sa isang napaka-tumpak na antas. Kinuha ito ng isang buong taon upang mabuo ang pamamaraan upang makuha ang mga sukat ng temperatura - karaniwang mga pamamaraan na masyadong mabagal o hindi tumpak para sa kanilang engine.

Ang kanilang natapos ay isang walong milimetro-long at four-millimeter-in-diameter na bitong ion na may mga platong ginto at mga electrodes na sumasalungat sa nag-iisang calcium atom (ngunit ang sinisingil na atom ay maaaring gawin ang trabaho) sa loob ng isang electromagnetic field. Dalawang lasers point sa mga dulo ng bitag, isa pagpainit ang atom at ang iba pang paglamig ito pababa. Ang pagbabagong ito sa temperatura ay nag-mamaneho ng ion upang lumikha ng isang patuloy na pagtaas ng maharmonikong pag-oscillate - tulad ng isang tunog na alon. Ito ay ang parehong ideya ng mas malaking thermal engine na umaasa sa gas o mga likido upang makabuo ng gawa sa makina, maliban sa kasong ito ay may isang maliit na butil lamang, ipinaliwanag ni Roßnagel.

Habang ang single-atom engine ay makagawa lamang ng 10-22 watts, ngunit sa katunayan ay maihahambing sa isang engine ng kotse, sabi ni Roßnagel. Kung iyong kalkulahin ang halaga ng enerhiya ng mga indibidwal na gas particle sa average na engine ng kotse, ang kapangyarihan ng motor ay nasa parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude kaysa sa single-atom engine.

"Napakaganda nito sa amin," sabi ni Roßnagel. "Nangangahulugan ito na kapag binabaluktot mo ang naturang sistema sa isang solong butil, ginagawa pa rin ito sa parehong antas ng macroscopic engine."

Siya at ang kanyang mga kasamahan ay naniniwala na ang antas ng kahusayan ay dahil sa mga epekto ng kabuuan, natatanging katangian na maaari lamang mabuo sa pamamagitan ng mga solong atomo at mga particle. Ipinaliwanag ni Roßnagel na ang mga termodynamic quantum effect ay gagawing ito kaya ang mga engine ay hindi kailangang umasa sa temperatura bilang isang pinagmumulan ng enerhiya ng enerhiya, at ang mga katangian ng kabuuan ng isang atom ng engine ay may posibilidad na makabuo ng mas maraming kapangyarihan kaysa sa isang thermal engine. Gayunpaman, hindi eksakto ang mga pisisista sa labas.

"Hindi ko tanggapin ang kahusayan na ito ay mula lamang sa 'weirdness ng mekanika ng quantum,'" sinabi ni Hartmut Hänerner, isang panteikal na pisisista sa University of California, Berkeley, na hindi kasangkot sa eksperimento, noong 2014 nang sumulat si Roßnagel ng isang panukalang papel tungkol sa engine. Idinagdag ni Häner na ang potensyal na single-atom engine mismo "ay lubhang kawili-wili at napakahusay na inilarawan. Sinusubukan nito na itulak ang mga hangganan ng alam natin tungkol sa termodinamika sa isang bagong rehimen."

Ang single-atom engine Roßnagel at ang kanyang koponan na binuo ay ang pinakamaliit na engine na alam niya umiiral ngayon. Gayunpaman, may posibilidad na lumikha ng kahit na mas maliit na mga may isang solong elektron, ngunit hindi siya naniniwala na may anumang interes sa pagtugis ng isa. "Mayroon kaming isang maliit na particle na tumatakbo sa engine, at kung ito ay isang kaltsyum atom o isang elektron, mula sa aming pananaliksik punto ng view, ito ay hindi gumawa ng isang pagkakaiba."

Susunod, nais ni Roßnagel na bumuo ng mga maliliit na refrigerator na may teknolohiya. Sa pamamagitan ng pag-ikot ng termodinamikong siklo sa paligid, ang makina ng isang atom ay tatakbo nang eksakto tulad ng refrigerator, ipinaliliwanag niya. Ang sistema ay bumubuo ng isang pagkakaiba sa temperatura, na lumilikha ng panig na pinainit at isang gilid na pinalamig - tulad ng aming mga kagamitan sa imbakan ng pagkain. Sa malayong hinaharap, makikita rin niya ang mga nanoscale engine na ito sa pagpapabuti ng mga chips at single transistors atom.

"Ang init na ginawa sa panahon ng operasyon ay isang napakalaking problema para sa industriya ng chip. Sa tingin ko na magkaroon ng karagdagang mga sistema ng paglamig sa kamay ay magiging kapaki-pakinabang, "sabi niya.

Anuman ang eksaktong nanggagaling sa kanilang inisyal na single-atom engine, naniniwala si Roßnagel na "makakahanap ito ng ilang mas malaking aplikasyon sa ilang araw."