Premier moteur nanoélectrique

Des théoriciens allemands de l'Université d'Augsbourg ont proposé un modèle original de moteur électrique fonctionnant sur les lois de la mécanique quantique. Un champ magnétique alternatif externe spécialement sélectionné est appliqué à deux atomes placés dans un réseau optique en forme d'anneau à très basse température. L'un des atomes, que les scientifiques ont appelé le «porteur», commence à se déplacer le long du réseau optique et après un certain temps atteint une vitesse constante, le deuxième atome joue le rôle d'un «démarreur» - grâce à l'interaction avec lui, le «porteur» commence son mouvement. La structure entière est appelée un moteur atomique quantique.

Le premier moteur électrique fonctionnel a été conçu et démontré en 1827 par le physicien hongrois Agnos Jedlic. L'amélioration de divers procédés technologiques conduit à la miniaturisation de divers dispositifs, notamment des dispositifs de conversion d'énergie électrique ou magnétique en énergie mécanique. Près de 200 ans après la création du premier moteur électrique, leurs tailles ont atteint le seuil micrométrique et sont entrées dans la région nanométrique.

L'un des nombreux projets de moteurs électriques micro / nanométriques a été proposé et mis en œuvre par des scientifiques américains en 2003 dans un article de Rotational actuators basé sur des nanotubes de carbone, publié dans Nature.

Fig. 1. Moteur quantique atomique. Deux atomes ultrafroids différents (boules brunes et bleues) se trouvent dans un réseau optique annulaire. Voir le texte pour plus de détails. Fig. de l'article en discussion dans Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Dessin schématique d'un moteur nanoélectrique. a. La plaque de rotor métallique (R) est montée sur un nanotube de carbone à parois multiples. Le contact électrique avec le plan du rotor se fait par un nanotube de carbone et des ancrages (A1, A2). Trois électrodes de stator (S1, S2, S3) situées sur un substrat d'oxyde de silicium SiO2 jouent le rôle d'éléments de contrôle de la rotation du rotor - elles sont alimentées en tension électrique indépendamment les unes des autres. b. Image d'un moteur électrique réalisé à l'aide d'un microscope électronique à balayage. La longueur de la barre d'échelle est de 300 nm. Fig. extrait de l'article Actionneurs rotatifs à base de nanotubes de carbone dans la nature

Sur un nanotube de carbone à parois multiples, il y a une feuille de métal plate R, qui joue le rôle d'un rotor (Fig.2). Le nanotube est monté sur deux ancres électriquement conductrices A1 et A2. Le rotor est situé entre les trois électrodes - les stators S1, S2 et S3. En appliquant une tension spéciale au rotor et aux trois stators, le sens et la vitesse de rotation de la plaque métallique peuvent être contrôlés. Le nanotube de carbone à parois multiples dans cette conception sert, d'une part, de cavalier électrique pour fournir du courant au rotor, et d'autre part, de fixation mécanique du rotor.

Et récemment, des physiciens théoriciens d'Allemagne dans un article de Ac-Driven Atomic Quantum Motor, publié dans la revue Physical Review Letters, ont proposé un modèle de moteur de taille micrométrique qui fonctionne selon les lois de la mécanique quantique. Le moteur est constitué de deux particules en interaction - deux atomes situés dans un réseau optique annulaire et situés à très basse température (Fig. 1). Un réseau optique est un piège pour ces atomes ultra-froids (avec des températures de l'ordre de milli ou microkelvins) créés par des faisceaux laser interférents.

Le premier atome est le «porteur» (boule brune sur la figure 1), le deuxième atome est le «starter» (boule bleue). Initialement, les particules ne sont pas excitées et sont situées au fond du puits d'énergie du réseau (au niveau avec la valeur énergétique la plus faible possible). Un champ magnétique externe variant dans le temps (signal de commande) est appliqué au réseau optique, ce qui affecte le «porteur» et n'affecte pas le «démarreur». Le démarrage de ce moteur, à la suite duquel le «porteur» commence son mouvement circulaire dans le réseau optique, se fait par interaction avec une autre particule - le «démarreur».

La présence d'un atome "starter" dans un tel appareil est nécessaire au fonctionnement complet du moteur quantique.S'il n'y avait pas de seconde particule, l'atome porteur ne pourrait pas commencer son mouvement dirigé le long du réseau optique. Autrement dit, la tâche de l'atome "starter" est d'initier le démarrage de ce moteur, de lui donner un démarrage. En fait, c'est de là que vient le nom de la deuxième particule. Après un certain temps, la «porteuse», déjà sous l'action d'un signal alternatif sous la forme d'un champ magnétique externe, atteint sa puissance de crête - la vitesse atomique atteint son maximum et reste constante à l'avenir.

Maintenant, quelques mots sur les conditions de fonctionnement efficace d'un tel moteur atomique quantique. Des recherches théoriques menées par des scientifiques allemands ont montré qu'un champ magnétique alternatif externe devrait se composer de deux composantes harmoniques avec des amplitudes données et avec un certain déphasage entre elles. Ce déphasage entre les composants joue un rôle clé dans le moteur - il vous permet de contrôler le moteur, c'est-à-dire de changer la vitesse et la direction du mouvement du "porteur". Si un signal harmonique simple était utilisé et que le champ magnétique changeait dans le temps, par exemple, selon la loi des sinus, alors le "porteur" pourrait se déplacer également dans le réseau optique dans le sens horaire ou antihoraire, et il serait impossible de contrôler la direction et la vitesse de son mouvement. Dans la fig. La figure 3 montre un graphique représentant la vitesse et le sens de rotation du «porteur» en fonction de la différence de phase des deux harmoniques, calculée en utilisant différentes approches de mécanique quantique.

Fig. 3. Dépendance de la vitesse de mouvement de l'atome «porteur» vc sur la différence de phase des harmoniques (composants) et le champ magnétique de contrôle, calculé par deux méthodes quantiques différentes (ligne continue rouge et ligne pointillée noire). Une valeur de vitesse négative correspond à un sens de rotation différent. La vitesse du porteur est mesurée en unités d'une certaine vitesse caractéristique v0. Fig. de l'article en discussion dans Phys. Rev. Lett.

On voit que la vitesse "porteuse" maximale sera observée lorsque la différence de phase est π / 2 et 3π / 4. Une valeur de vitesse négative signifie que l'atome ("porteur") tourne dans le sens opposé. De plus, il a été possible d'établir que la vitesse de l'atome «porteur» n'atteindra sa valeur constante que lorsque le nombre de nœuds du réseau optique sera supérieur ou égal à 16 (voir Fig. 3, le nombre de nœuds est, grosso modo, le nombre de cavaliers entre "Hills"). Ainsi, dans la fig. 3, la dépendance de la vitesse «porteuse» de la différence de phase est calculée pour 16 nœuds du réseau optique.

Pour que l'appareil décrit ici soit appelé un moteur à part entière, il faut encore savoir comment il fonctionne sous l'influence de toute charge. Dans un moteur conventionnel, l'ampleur de la charge peut être décrite comme le moment de toute force ou force externe. Une augmentation de la charge entraîne une diminution de la vitesse de rotation du moteur, avec une augmentation supplémentaire du moment des forces, le moteur peut commencer à tourner dans une direction croissante avec l'augmentation de la vitesse. Si vous changez le sens d'application du couple, une augmentation de la charge entraînera une augmentation du régime moteur. Dans tous les cas, il est important qu'une augmentation continue et douce de la charge donne le même changement régulier et continu du régime moteur. On peut dire que la dépendance de la vitesse de rotation de l'amplitude de la charge du moteur est une fonction continue.

La situation est complètement différente avec un moteur atomique quantique. Premièrement, il existe de nombreuses valeurs interdites du moment des forces externes auxquelles le moteur quantique ne fonctionnera pas - la vitesse du «porteur» sera nulle (à moins, bien sûr, que le mouvement thermique de l'atome soit exclu). Deuxièmement, avec une augmentation des valeurs de charge autorisées, le régime moteur se comporte de manière non monotone: une augmentation du moment des forces conduit d'abord à une augmentation de la vitesse "porteuse", puis à sa diminution, puis à un changement du sens de rotation de l'atome avec une augmentation simultanée de la vitesse de déplacement.D'une manière générale, la dépendance de la vitesse "porteuse" de la valeur de charge sera une fonction discrète, qui a également des propriétés fractales. La propriété de fractalité signifie que le comportement décrit ci-dessus d'un moteur atomique quantique sera répété dans une gamme de valeurs de charge en expansion régulière.

L'article propose également un schéma de la mise en œuvre pratique de ce moteur atomique quantique. Pour ce faire, vous pouvez utiliser un atome «starter» non chargé et un atome «porteur» ionisé (première option), ou un «starter» peut être une particule avec un spin nul, et un «porteur» peut être un atome avec un spin non nul (deuxième option). Dans ce dernier cas, les auteurs proposent d'utiliser les isotopes de l'ytterbium 174Yb à spin nul (c'est-à-dire le boson) et son isotope 171Yb à spin demi-entier (fermion) ou 87Rb, connu comme matériau pour la première condensation de Bose-Einstein, et la fermion 6Li. Par exemple, si un atome de lithium est utilisé comme «porteur», la constante du réseau optique pour certains autres paramètres supplémentaires du moteur (en particulier, la profondeur du puits d'énergie du réseau optique et la masse des atomes) doit être de 10 μm et la fréquence du champ de contrôle est inférieure à 2 Hz. Dans ce cas, le moteur atomique quantique atteindra le «pic de puissance» (la vitesse du «porteur» devient constante) en 1 minute. Avec une diminution de la période du réseau optique, l'appareil atteint sa puissance maximale au bout de 10 secondes.

Les expérimentateurs ont déjà réussi à répondre à un article publié par des théoriciens allemands. Ils croient que mettre deux atomes pris séparément dans un tel réseau optique annulaire est techniquement, peut-être, réel, mais très difficile. De plus, il est difficile de savoir comment extraire le travail utile d'un tel moteur. On ne sait donc pas si le projet d'un tel moteur atomique quantique sera mis en œuvre ou s'il restera un beau modèle sur papier par les théoriciens.

Source: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Moteur quantique atomique entraîné par courant alternatif // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Voir aussi: Moteur magnétique Minato