Pirmais nanoelektriskais motors

Vācu Augsburgas universitātes teorētiķi ir ierosinājuši oriģinālu elektromotora modeli, kas darbojas pēc kvantu mehānikas likumiem. Diviem atomiem, kas ļoti zemā temperatūrā ir ievietoti gredzenveida optiskā režģī, tiek piemērots īpaši izvēlēts ārējs mainīgs magnētiskais lauks. Viens no atomiem, kuru zinātnieki sauca par “nesēju”, sāk kustēties pa optisko režģi un pēc brīža sasniedz nemainīgu ātrumu, otrais atoms spēlē “startera” lomu - pateicoties mijiedarbībai ar to, “nesējs” sāk savu kustību. Visu struktūru sauc par kvantu atomu motoru.

Pirmo strādājošo elektromotoru 1827. gadā projektēja un demonstrēja ungāru fiziķis Agnos Jedlic. Dažādu tehnoloģisko procesu uzlabošana noved pie dažādu ierīču miniaturizācijas, ieskaitot ierīces elektriskās vai magnētiskās enerģijas pārvēršanai mehāniskajā enerģijā. Gandrīz 200 gadus pēc pirmā elektromotora izveidošanas to izmēri sasniedza mikrometra slieksni un iekļuva nanometru reģionā.

Vienu no daudzajiem mikro / nanomēroga elektromotoru projektiem amerikāņu zinātnieki ierosināja un īstenoja 2003. gadā Rotācijas izpildmehānismu, kuru pamatā ir oglekļa nanocaurules, rakstā, kas publicēts žurnālā Nature.

Att. 1. Atomu kvantu motors. Divi dažādi ultrakoldie atomi (brūnās un zilās bumbiņas) atrodas gredzenveida optiskā režģī. Sīkāku informāciju skat. Att. no raksta, kas tiek apspriests Phys. Rev. Lett.

Att. 2. Nanoelektriskā motora shematisks rasējums. a. Metāla rotora plāksne (R) ir uzstādīta uz daudzsienu oglekļa nanocaurules. Elektriskais kontakts ar rotora plakni notiek caur oglekļa nanocaurules un enkuriem (A1, A2). Trīs statora elektrodi (S1, S2, S3), kas atrodas uz silīcija oksīda SiO2 substrāta, spēlē rotora rotācijas vadības elementu lomu - tie tiek piegādāti ar elektrisko spriegumu neatkarīgi viens no otra. b. Elektromotora attēls, kas izgatavots, izmantojot skenējošu elektronu mikroskopu. Mēroga joslas garums ir 300 nm. Att. no raksta Rotācijas pievadi, kuru pamatā ir oglekļa nanocaurules dabā

Uz daudzsienu oglekļa nanocaurules ir plakana metāla loksne R, kas pilda rotora lomu (2. att.). Nanocaurule ir uzstādīta uz diviem elektriski vadošiem enkuriem A1 un A2. Rotors atrodas starp trim elektrodiem - statoriem S1, S2 un S3. Izmantojot rotoru un trīs statorus ar īpašu spriegumu, var kontrolēt metāla plāksnes griešanās virzienu un ātrumu. Šajā konstrukcijā esošā daudzsienu oglekļa nanocaurule, pirmkārt, kalpo kā elektrisks džemperis strāvas padevei rotoram un, otrkārt, kā rotora mehānisks stiprinājums.

Un nesen teorētiskie fiziķi no Vācijas ac-Driven Atomic Quantum Motor rakstā, kas publicēts žurnālā Physical Review Letters, ierosināja mikrometra izmēra motora modeli, kas darbojas pēc kvantu mehānikas likumiem. Motors sastāv no divām mijiedarbīgām daļiņām - diviem atomiem, kas atrodas gredzenveida optiskā režģī un atrodas ļoti zemā temperatūrā (1. att.). Optiskā režģis ir slazds šādiem ultraaukstiem atomiem (ar temperatūru mililitru vai mikrokelvinu secībā), ko rada traucējoši lāzera stari.

Pirmais atoms ir “nesējs” (brūna bumba 1. att.), Otrais atoms ir “starteris” (zilā bumba). Sākumā daļiņas nav satrauktas un atrodas režģa enerģijas urbuma apakšā (līmenī ar zemāko iespējamo enerģētisko vērtību). Uz optisko režģi tiek uzlikts ārējs laikā mainīgs magnētiskais lauks (vadības signāls), kas ietekmē “nesēju” un neietekmē “starteri”. Šī dzinēja iedarbināšana, kā rezultātā “nesējs” sāk apļveida kustības optiskajā režģī, tiek veikta mijiedarbībā ar citu daļiņu - “starteri”.

“Startera” atoma klātbūtne šādā ierīcē ir nepieciešama pilnīgai kvantu motora darbībai.Ja nebūtu otrās daļiņas, nesēja atoms nevarētu sākt savu virzīto kustību gar optisko režģi. Tas ir, “startera” atoma uzdevums ir ierosināt šī dzinēja iedarbināšanu, dot tam startu. Faktiski no šejienes nāk otrās daļiņas nosaukums. Pēc kāda laika “nesējs”, jau darbojoties ar mainīgu signālu ārējā magnētiskā lauka formā, sasniedz maksimālo jaudu - atoma ātrums sasniedz maksimumu un paliek nemainīgs nākotnē.

Tagad daži vārdi par šāda kvantu atomu motora efektīvas darbības nosacījumiem. Vācu zinātnieku teorētiskie pētījumi parādīja, ka ārējam mainīgam magnētiskajam laukam jāsastāv no diviem harmoniskiem komponentiem ar noteiktām amplitūdām un ar zināmu fāzes nobīdi starp tiem. Šai fāzes maiņai starp komponentiem ir galvenā loma motorā - tas ļauj jums vadīt motoru, tas ir, mainīt "nesēja" ātrumu un kustības virzienu. Ja tiktu izmantots vienkāršs harmoniskais signāls un magnētiskais lauks mainītos laikā, piemēram, saskaņā ar sinusa likumu, tad “nesējs” vienlīdz labi varētu kustēties optiskajā režģī pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji tam, un nebūtu iespējams kontrolēt tā kustības virzienu un ātrumu. Att. 3. attēlā parādīta diagramma, kas attēlo “nesēja” ātrumu un griešanās virzienu kā funkciju no divu harmoniku fāzes starpības, aprēķinot, izmantojot dažādas kvantu-mehāniskās pieejas.

Att. 3. “Pārvadātāja” atoma vc kustības ātruma atkarība no harmoniku (komponentu) fāzes starpības un vadības magnētiskā lauka, ko aprēķina ar divām dažādām kvantmehāniskajām metodēm (sarkana vienlaidu līnija un melna punktēta līnija). Negatīva ātruma vērtība atbilst citam rotācijas virzienam. Pārvadātāja ātrumu mēra kāda raksturīgā ātruma v0 vienībās. Att. no raksta, kas tiek apspriests Phys. Rev. Lett.

Ir redzams, ka maksimālais “nesēja” ātrums tiks novērots, kad fāžu starpība ir π / 2 un 3π / 4. Ātruma negatīva vērtība nozīmē, ka atoms ("nesējs") griežas pretējā virzienā. Turklāt bija iespējams noteikt, ka “nesēja” atoma ātrums savu nemainīgo vērtību sasniegs tikai tad, kad optiskās režģa mezglu skaits ir lielāks vai vienāds ar 16 (sk. 3. att.), Mezglu skaits, rupji runājot, ir džemperu skaits starp "Hills"). Tātad, fig. 3, 16 optiskā režģa mezgliem tiek aprēķināta “nesēja” ātruma atkarība no fāzu starpības.

Lai šeit aprakstīto ierīci varētu saukt par pilnvērtīgu motoru, joprojām ir jānoskaidro, kā tā darbojas jebkuras kravas ietekmē. Parastā dzinējā slodzes lielumu var raksturot kā jebkādu ārēju spēku vai spēku momentu. Slodzes palielināšanās noved pie motora griešanās ātruma samazināšanās, vēl vairāk palielinoties spēka momentam, motors var sākt griezties pieaugošā virzienā, palielinoties ātrumam. Ja maināt griezes momenta pielietošanas virzienu, tad slodzes palielināšanās palielinās motora apgriezienus. Jebkurā gadījumā ir svarīgi, lai vienmērīgs nepārtraukts slodzes palielinājums nodrošinātu tādas pašas vienmērīgas un nepārtrauktas motora apgriezienu izmaiņas. Mēs varam teikt, ka griešanās ātruma atkarība no motora slodzes lieluma ir nepārtraukta funkcija.

Ar kvantu atomu motoru situācija ir pavisam citāda. Pirmkārt, ir daudz aizliegtu ārējo spēku brīža vērtību, pie kurām kvantu motors nedarbosies - “nesēja” ātrums būs nulle (ja vien, protams, nav izslēgta atoma termiskā kustība). Otrkārt, palielinoties pieļaujamajām slodzes vērtībām, motora ātrums uzvedas nemonotoniski: spēka momenta palielināšanās vispirms noved pie “nesēja” ātruma palielināšanās, pēc tam pie tā samazināšanās, un pēc tam pie atoma griešanās virziena maiņas, vienlaikus palielinot kustības ātrumu.Vispārīgi runājot, "nesēja" ātruma atkarība no slodzes vērtības būs diskrēta funkcija, kurai ir arī fraktālas īpašības. Fraktivitātes īpašība nozīmē, ka iepriekš aprakstītā kvantu atomu motora darbība tiks atkārtota regulāri paplašinot slodzes vērtību diapazonu.

Rakstā ir arī piedāvāta šī kvantu atomu motora praktiskās ieviešanas shēma. Lai to izdarītu, jūs varat izmantot neuzlādētu “sākuma” atomu un jonizētu “nesēja” atomu (pirmā opcija), vai “starteris” var būt daļiņa ar nulles griešanās pakāpi, un “nesējs” var būt atoms ar griezienu, kas nav vienāds ar nulli (otrā opcija). Pēdējā gadījumā autori ierosina izmantot ytterbium 174Yb izotopus ar nulles vērpšanu (t.i., bozonu) un tā 171Yb izotopu ar veselu veselu spin (fermionu) vai 87Rb, kas pazīstams kā materiāls pirmajai Bose-Einšteina kondensācijai, un 6Li fermionu. Piemēram, ja litija atomu izmanto kā “nesēju”, tad dažu citu motora papildu parametru optiskajai režģa konstantei (jo īpaši optiskā režģa enerģijas urbuma dziļumam un atomu masai) jābūt 10 μm, un vadības lauka frekvence ir mazāka par 2 Hz. Šajā gadījumā kvantu atomu motors 1 minūtē sasniegs “jaudas maksimumu” (“nesēja” ātrums kļūst nemainīgs). Samazinoties optiskās režģa periodam, ierīce sasniedz maksimālo jaudu pēc 10 sekundēm.

Eksperimentētājiem jau ir izdevies atbildēt uz vācu teorētiķu publicēto rakstu. Viņi uzskata, ka divu atsevišķi ņemtu atomu ievietošana šādā gredzeniskā optiskā blokā ir tehniski, varbūt, reāla, bet ļoti sarežģīta. Turklāt nav skaidrs, kā no šāda dzinēja iegūt noderīgu darbu. Tāpēc nav zināms, vai tiks īstenots šāda kvantu atomu motora projekts, vai arī tas paliks skaists paraugs uz papīra, ko izstrādājuši teorētiķi.

Avots: A. V. Ponomarevs, S. Denisovs, P. Hänggi. Ar ac piedziņu darbināms atomu kvantu motors // Fiz. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Skatīt arī: Minato magnētiskais motors