Първи наноелектрически мотор

Германските теоретици от университета в Аугсбург предложиха оригинален модел на електродвигател, работещ по законите на квантовата механика. Специално подбрано външно редуващо се магнитно поле се прилага към два атома, поставени в пръстенообразна оптична решетка при много ниска температура. Един от атомите, който учените нарекли „носител“, започва да се движи по оптичната решетка и след известно време достига постоянна скорост, вторият атом играе ролята на „стартер“ - поради взаимодействието с него „носителят“ започва своето движение. Цялата структура се нарича квантов атомен двигател.

Първият работещ електромотор е проектиран и демонстриран през 1827 г. от унгарския физик Агнос Джедлич. Подобряването на различни технологични процеси води до миниатюризация на различни устройства, включително устройства за преобразуване на електрическа или магнитна енергия в механична енергия. Почти 200 години след създаването на първия електродвигател, размерите им достигат прага на микрометъра и стъпват в областта на нанометъра.

Един от многото проекти за електродвигатели с микро / наноразмер е предложен и реализиран от американски учени през 2003 г. в статия на Ротационни задвижвания, базирана на въглеродни нанотръби, публикувана в Nature.

Фиг. 1. Атомен квантов двигател. Два различни ултра студени атома (кафяви и сини топки) са в пръстеновидна оптична решетка. Вижте текста за подробности. Фиг. от обсъжданата статия в Phys. Rev. Латвиец.

Фиг. 2. Схематичен чертеж на наноелектрически двигател. а. Металната роторна плоча (R) е монтирана върху многостенна въглеродна нанотръба. Електрическият контакт с равнината на ротора се осъществява чрез въглеродна нанотръба и котви (A1, A2). Три електрода на статора (S1, S2, S3), разположени върху основата на силициев оксид SiO2, играят ролята на управляващи елементи на въртене на ротора - те се доставят с електрическо напрежение независимо един от друг. б. Изображение на електродвигател, направен с помощта на сканиращ електронен микроскоп. Дължината на скалата е 300 nm. Фиг. от статията Ротационни задвижвания, базирани на въглеродни нанотръби в Nature

Върху многостенна въглеродна нанотръба има плосък лист метал R, който играе ролята на ротор (фиг. 2). Нанотръбата е монтирана на два електропроводими котви А1 и А2. Роторът е разположен между трите електрода - статорите S1, S2 и S3. Чрез прилагане на специално напрежение към ротора и три статора може да се контролира посоката и скоростта на въртене на металната плоча. Многостенната въглеродна нанотръба в този дизайн служи, първо, като електрически джъмпер за подаване на ток към ротора, и второ, като механично закрепване на ротора.

И наскоро теоретичните физици от Германия в статия на ac-Driven Atomic Quantum Motor, публикувана в списанието Physical Review Letters, предложиха модел на двигател с размер на микрометър, който работи по законите на квантовата механика. Двигателят се състои от две взаимодействащи частици - два атома, разположени в пръстеновидна оптична решетка и разположени при много ниска температура (фиг. 1). Оптичната решетка е капан за такива ултра студени атоми (с температури от порядъка на мили или микрокелвини), създадени от интерфериращи лазерни лъчи.

Първият атом е "носителят" (кафява топка на фиг. 1), вторият атом е "стартер" (синя топка). Първоначално частиците не се възбуждат и са разположени на дъното на енергийния кладенец на решетката (на нивото с най-ниската възможна енергийна стойност). Към оптичната решетка се прилага външно магнитно поле с различно време (управляващ сигнал), което влияе върху „носителя“ и не влияе на „стартера“. Стартът на този двигател, в резултат на което „носителят“ започва кръговото си движение в оптичната решетка, се осъществява чрез взаимодействие с друга частица - „стартера“.

Наличието на „стартов“ атом в такова устройство е необходимо за пълната работа на квантовия двигател.Ако нямаше втора частица, носещият атом не можеше да започне насоченото си движение по оптичната решетка. Тоест, задачата на атома на „стартера“ е да инициира старта на този двигател, да му даде старт. Всъщност от тук идва и името на втората частица. След известно време „носителят“, вече под действието на променлив сигнал под формата на външно магнитно поле, достига своята пикова мощност - атомната скорост достига своя максимум и остава постоянна в бъдеще.

Сега няколко думи за условията за ефективната работа на такъв квантов атомен двигател. Теоретичните изследвания на немски учени показаха, че външно редуващо се магнитно поле трябва да се състои от две хармонични компоненти с зададени амплитуди и с известно изместване на фазата между тях. Това изместване на фазите между компонентите играе ключова роля в двигателя - той ви позволява да контролирате двигателя, тоест да променяте скоростта и посоката на движение на "носача". Ако се използва обикновен хармоничен сигнал и магнитното поле се променя във времето, например, според синусоичния закон, тогава "носителят" може да се движи еднакво в оптичната решетка по посока на часовниковата стрелка и би било невъзможно да се контролира посоката и скоростта на нейното движение. На фиг. Фигура 3 показва графика, представяща скоростта и посоката на въртене на „носача“ като функция от фазовата разлика на двете хармоници, изчислена с помощта на различни квантово-механични подходи.

Фиг. 3. Зависимостта на скоростта на движение на атома „носител“ vc от фазовата разлика на хармониците (компоненти) и контролното магнитно поле, изчислена чрез два различни квантово-механични метода (червена плътна линия и черна пунктирана линия). Отрицателната стойност на скоростта съответства на различна посока на въртене. Скоростта на носача се измерва в единици с някаква характерна скорост v0. Фиг. от обсъжданата статия в Phys. Rev. Латвиец.

Вижда се, че максималната скорост на „носител“ ще се наблюдава, когато фазовата разлика е π / 2 и 3π / 4. Отрицателна стойност на скоростта означава, че атомът („носител“) се върти в обратна посока. В допълнение, беше възможно да се установи, че скоростта на атома „носител“ ще достигне постоянната си стойност само когато броят на възлите на оптичната решетка е по-голям или равен на 16 (виж фиг. 3, броят на възлите е, грубо казано, броят на джъмперите между "хълмове"). И така, на фиг. 3, зависимостта на скоростта на "носителя" от фазовата разлика се изчислява за 16 възли на оптичната решетка.

За да може устройството, описано тук, да се нарече пълноценен двигател, все още е необходимо да разберете как работи под въздействието на всякакъв товар. В конвенционален двигател величината на натоварването може да се опише като момента на всякакви външни сили или сили. Увеличаването на натоварването води до намаляване на скоростта на въртене на двигателя, с по-нататъшно увеличаване на момента на силите двигателят може да започне да се върти във увеличаваща се посока с увеличаване на скоростта. Ако промените посоката на прилагане на въртящия момент, тогава увеличаването на натоварването ще доведе до увеличаване на скоростта на двигателя. Във всеки случай е важно плавното непрекъснато увеличаване на натоварването да дава същата плавна и непрекъсната промяна в оборотите на двигателя. Можем да кажем, че зависимостта на скоростта на въртене от величината на натоварването на двигателя е непрекъсната функция.

Ситуацията е съвсем различна с квантов атомен двигател. Първо, има много забранени стойности на момента на външните сили, при които квантовият двигател няма да работи - скоростта на „носителя“ ще бъде нула (освен ако, разбира се, не е изключено топлинното движение на атома). Второ, с увеличаване на разрешените стойности на натоварването, оборотите на двигателя се държат немонотонно: увеличаването на момента на силите води първо до увеличаване на скоростта на „носителя“, след това до неговото намаляване, а след това до промяна в посоката на въртене на атома с едновременно увеличаване на скоростта на движение.Най-общо казано, зависимостта на скоростта на "носителя" от величината на натоварването ще бъде дискретна функция, която също има фрактални свойства. Свойството на фракталността означава, че описаното по-горе поведение на квантов атомен двигател ще се повтори в редовно разширяващ се диапазон от стойности на натоварването.

В статията се предлага и схема за практическото прилагане на този квантов атомен двигател. За да направите това, можете да използвате незареден "стартов" атом и йонизиран "носител" атом (първа опция), или "стартер" може да бъде частица с нулево въртене, а "носител" може да бъде атом с ненулев спин (втора опция). Във втория случай авторите предлагат да се използват изотопите на итербиевия 174Yb с нулев спин (т.е. бозонът) и изотопа му 171Yb с полуцелово завъртане (фермион) или 87Rb, известен като материал за първата кондензация на Бозе-Айнщайн и фермиона 6Li. Например, ако литиев атом се използва като „носител“, то константата на оптичната решетка за някои други допълнителни параметри на двигателя (по-специално, дълбочината на енергийния кладенец на оптичната решетка и масата на атомите) трябва да бъде 10 µm, а честотата на контролното поле е по-малка от 2 Hz. В този случай квантовият атомен двигател ще достигне "пика на мощността" (скоростта на "носителя" става постоянна) за 1 минута. С намаляване на периода на оптичната решетка устройството достига максималната си мощност след 10 секунди.

Експериментаторите вече успяха да отговорят на публикувана статия от германски теоретици. Те смятат, че поставянето на два отделно взети атома в такъв пръстеновиден оптичен масив е технически, може би, истинско, но много трудно. Освен това не е ясно как да се извлече полезна работа от такъв двигател. Така че не е известно дали проектът на такъв квантов атомен двигател ще бъде реализиран или дали той ще остане красив модел на хартия от теоретиците.

Източник: А. В. Пономарев, С. Денисов, П. Хенги. Атомно-атомен квантов двигател // Phys. Rev. Латвиец. 102, 230601 (2009).

Вижте също: Minato Magnetic Motor