Pierwszy silnik nanoelektryczny

Niemieccy teoretycy z Uniwersytetu w Augsburgu zaproponowali oryginalny model silnika elektrycznego działającego na prawach mechaniki kwantowej. Specjalnie dobrane zewnętrzne przemienne pole magnetyczne przykładane jest do dwóch atomów umieszczonych w pierścieniowej sieci optycznej w bardzo niskiej temperaturze. Jeden z atomów, który naukowcy nazwali „nośnikiem”, zaczyna poruszać się wzdłuż sieci optycznej i po pewnym czasie osiąga stałą prędkość, drugi atom pełni rolę „startera” - z powodu interakcji z nim „nośnik” zaczyna się poruszać. Cała struktura nazywa się kwantowym silnikiem atomowym.

Pierwszy działający silnik elektryczny został zaprojektowany i zademonstrowany w 1827 roku przez węgierskiego fizyka Agnosa Jedlica. Ulepszenie różnych procesów technologicznych prowadzi do miniaturyzacji różnych urządzeń, w tym urządzeń do przekształcania energii elektrycznej lub magnetycznej w energię mechaniczną. Prawie 200 lat po stworzeniu pierwszego silnika elektrycznego ich rozmiary osiągnęły próg mikrometra i wkroczyły w obszar nanometrów.

Jeden z wielu projektów silników elektrycznych w skali mikro / nanoskali został zaproponowany i wdrożony przez amerykańskich naukowców w 2003 r. W artykule Rotators Actuatorss na bazie nanorurek węglowych, opublikowanym w Nature.

Ryc. 1. Atomowy silnik kwantowy. Dwa różne ultra zimne atomy (brązowe i niebieskie kule) znajdują się w pierścieniowej sieci optycznej. Zobacz tekst po szczegóły. Ryc. z artykułu omawianego w Phys. Rev. Lett.

Ryc. 2. Schematyczny rysunek silnika nanoelektrycznego. a) Metalowa płytka wirnika (R) jest zamontowana na wielościennej nanorurce węglowej. Kontakt elektryczny z płaszczyzną wirnika odbywa się poprzez nanorurkę węglową i kotwy (A1, A2). Trzy elektrody stojana (S1, S2, S3) znajdujące się na podłożu SiO2 z tlenku krzemu pełnią rolę elementów sterujących obrotami wirnika - zasilane są niezależnie napięciem elektrycznym. b. Zdjęcie silnika elektrycznego wykonane przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego. Długość paska podziałki wynosi 300 nm. Ryc. z artykułu Siłowniki obrotowe oparte na nanorurkach węglowych w przyrodzie

Na wielościennej nanorurce węglowej znajduje się płaski arkusz metalu R, który pełni rolę wirnika (ryc. 2). Nanorurka jest zamontowana na dwóch przewodzących prąd kotwach A1 i A2. Wirnik znajduje się między trzema elektrodami - stojanami S1, S2 i S3. Poprzez przyłożenie specjalnego napięcia do wirnika i trzech stojanów można kontrolować kierunek i prędkość obrotu metalowej płyty. Wielościenna nanorurka węglowa w tej konstrukcji służy, po pierwsze, jako zworka elektryczna do dostarczania prądu do wirnika, a po drugie, jako mechaniczne mocowanie wirnika.

Niedawno fizycy teoretyczni z Niemiec w artykule Ac-Driven Atomic Quantum Motor, opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters, zaproponowali model silnika wielkości mikrometra, który działa na prawach mechaniki kwantowej. Silnik składa się z dwóch oddziałujących cząstek - dwóch atomów znajdujących się w pierścieniowej sieci optycznej i zlokalizowanych w bardzo niskiej temperaturze (ryc. 1). Siatka optyczna jest pułapką na takie ultrazimne atomy (o temperaturach rzędu mili lub mikrokelwin) utworzone przez zakłócanie wiązek laserowych.

Pierwszy atom jest „nośnikiem” (brązowa kula na ryc. 1), drugi atom jest „starterem” (niebieska kula). Początkowo cząstki nie są wzbudzane i znajdują się na dnie studni energetycznej sieci (na poziomie o najniższej możliwej wartości energetycznej). Zewnętrzne zmienne w czasie pole magnetyczne (sygnał sterujący) jest przykładane do siatki optycznej, co wpływa na „nośnik” i nie wpływa na „rozrusznik”. Uruchomienie tego silnika, w wyniku którego „nośnik” rozpoczyna ruch kołowy w sieci optycznej, odbywa się poprzez interakcję z inną cząsteczką - „starterem”.

Obecność atomu „startowego” w takim urządzeniu jest niezbędna do pełnego działania silnika kwantowego.Gdyby nie było drugiej cząstki, atom nośny nie mógłby rozpocząć swojego ukierunkowanego ruchu wzdłuż sieci optycznej. Oznacza to, że zadaniem atomu „rozrusznika” jest zainicjowanie uruchomienia tego silnika, aby dać mu start. Właściwie to stąd pochodzi nazwa drugiej cząstki. Po pewnym czasie „nośnik”, już pod działaniem przemiennego sygnału w postaci zewnętrznego pola magnetycznego, osiąga swoją szczytową moc - prędkość atomu osiąga maksimum i pozostaje stała w przyszłości.

Teraz kilka słów o warunkach skutecznego działania takiego kwantowego silnika atomowego. Badania teoretyczne przeprowadzone przez niemieckich naukowców wykazały, że zewnętrzne zmienne pole magnetyczne powinno składać się z dwóch składowych harmonicznych o zadanych amplitudach i pewnym przesunięciu fazowym między nimi. To przesunięcie fazowe między komponentami odgrywa kluczową rolę w silniku - pozwala kontrolować silnik, czyli zmieniać prędkość i kierunek ruchu „nośnika”. Gdyby zastosowano prosty sygnał harmoniczny, a pole magnetyczne zmieniło się w czasie, na przykład zgodnie z prawem sinusoidalnym, wówczas „nośnik” mógłby równie dobrze poruszać się w sieci optycznej zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara i niemożliwe byłoby kontrolowanie kierunku i prędkości jego ruchu. Na ryc. Rysunek 3 pokazuje wykres przedstawiający prędkość i kierunek obrotu „nośnika” w funkcji różnicy faz dwóch harmonicznych, obliczony przy użyciu różnych podejść kwantowo-mechanicznych.

Ryc. 3. Zależność prędkości ruchu atomu nośnika vc od różnicy faz między harmonicznymi (składowymi) a kontrolnym polem magnetycznym, obliczona za pomocą dwóch różnych metod kwantowo-mechanicznych (czerwona linia ciągła i czarna linia przerywana). Ujemna wartość prędkości odpowiada innemu kierunkowi obrotu. Prędkość nośnika jest mierzona w jednostkach o pewnej charakterystycznej prędkości v0. Ryc. z artykułu omawianego w Phys. Rev. Lett.

Widać, że maksymalna prędkość „nośnika” będzie obserwowana, gdy różnica faz wynosi π / 2 i 3π / 4. Ujemna wartość prędkości oznacza, że ​​atom („nośnik”) obraca się w przeciwnym kierunku. Ponadto można było ustalić, że prędkość atomu „nośnego” osiągnie swoją stałą wartość tylko wtedy, gdy liczba węzłów sieci optycznej jest większa lub równa 16 (patrz ryc. 3, liczba węzłów jest, z grubsza mówiąc, liczbą zworek między „Hills”). Na ryc. 3, zależność prędkości „nośnej” od różnicy faz jest obliczana dla 16 węzłów sieci optycznej.

Aby opisywane tutaj urządzenie nazywało się pełnoprawnym silnikiem, nadal trzeba dowiedzieć się, jak działa pod wpływem dowolnego obciążenia. W tradycyjnym silniku wielkość obciążenia można opisać jako moment jakichkolwiek sił zewnętrznych lub sił. Wzrost obciążenia prowadzi do zmniejszenia prędkości obrotowej silnika, przy dalszym wzroście momentu sił silnik może zacząć obracać się w rosnącym kierunku wraz ze wzrostem prędkości. Jeśli zmienisz kierunek przyłożenia momentu obrotowego, wówczas wzrost obciążenia doprowadzi do wzrostu prędkości obrotowej silnika. W każdym razie ważne jest, aby płynny ciągły wzrost obciążenia zapewniał taką samą płynną i ciągłą zmianę prędkości obrotowej silnika. Można powiedzieć, że zależność prędkości obrotowej od wielkości obciążenia silnika jest funkcją ciągłą.

Z kwantowym silnikiem atomowym sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Po pierwsze, istnieje wiele niedozwolonych wartości momentu sił zewnętrznych, przy których silnik kwantowy nie będzie działał - prędkość „nośnika” wyniesie zero (chyba że oczywiście ruch termiczny atomu jest wykluczony). Po drugie, wraz ze wzrostem dopuszczalnych wartości obciążenia, prędkość silnika zachowuje się w sposób niemonotoniczny: wzrost momentu sił prowadzi najpierw do wzrostu prędkości „nośnika”, następnie do jej zmniejszenia, a następnie do zmiany kierunku obrotu atomu przy jednoczesnym wzroście prędkości ruchu.Ogólnie rzecz biorąc, zależność prędkości „nośnej” od wielkości ładunku będzie funkcją dyskretną, która również ma właściwości fraktalne. Właściwość fraktalności oznacza, że ​​opisane powyżej zachowanie kwantowego silnika atomowego będzie powtarzane w regularnie rosnącym zakresie wartości obciążenia.

W artykule zaproponowano również schemat praktycznej realizacji tego kwantowego silnika atomowego. Aby to zrobić, możesz użyć nienaładowanego atomu „startera” i zjonizowanego atomu „nośnika” (pierwsza opcja) lub „starterem” może być cząstka o zerowym spinie, a „nośnikiem” może być atom o niezerowym spinie (druga opcja). W tym drugim przypadku autorzy proponują zastosowanie izotopów iterbu 174Yb ze spinem zerowym (tj. Bozonem) i jego izotop 171Yb z spinem o połowie liczby całkowitej (fermion) lub 87Rb, znanym jako materiał dla pierwszej kondensacji Bosego-Einsteina i fermionu 6Li. Na przykład, jeśli atom „litu” zostanie użyty jako „nośnik”, to stała sieci optycznej dla niektórych innych dodatkowych parametrów silnika (w szczególności głębokość studni energii sieci optycznej i masa atomów) powinna wynosić 10 μm, a częstotliwość pola kontrolnego jest mniejsza niż 2 Hz. W tym przypadku kwantowy silnik atomowy osiągnie „szczyt mocy” (prędkość „nośnika” staje się stała) w ciągu 1 minuty. Wraz ze zmniejszeniem okresu siatki optycznej urządzenie osiąga maksymalną moc po 10 sekundach.

Eksperymentatorom udało się już odpowiedzieć na opublikowany artykuł teoretyków niemieckich. Uważają, że umieszczenie dwóch oddzielnie pobranych atomów w tak pierścieniowym układzie optycznym jest technicznie, może, realne, ale bardzo trudne. Ponadto nie jest jasne, jak wydobyć użyteczną pracę z takiego silnika. Nie wiadomo więc, czy projekt takiego kwantowego silnika atomowego zostanie wdrożony, czy też pozostanie pięknym modelem na papierze przez teoretyków.

Źródło: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Atomowy silnik kwantowy napędzany prądem przemiennym // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Zobacz także: Silnik magnetyczny Minato