มอเตอร์นาโนแรก

นักทฤษฎีชาวเยอรมันจากมหาวิทยาลัยออกสบูร์กได้เสนอแบบจำลองดั้งเดิมของมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้งานกับกฎของกลศาสตร์ควอนตัม สนามแม่เหล็กภายนอกที่ถูกเลือกเป็นพิเศษนั้นถูกนำไปใช้กับอะตอมสองอะตอมที่อยู่ในโครงตาข่ายแบบวงแหวนที่อุณหภูมิต่ำมาก หนึ่งในอะตอมที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "พาหะ" เริ่มเคลื่อนที่ไปตามตาข่ายแสงและหลังจากนั้นไม่นานถึงความเร็วคงที่อะตอมที่สองมีบทบาทเป็น "ผู้เริ่มต้น" - ด้วยการโต้ตอบกับมัน "พาหะ" เริ่มการเคลื่อนที่ของมัน โครงสร้างทั้งหมดเรียกว่าเครื่องยนต์อะตอมควอนตัม

มอเตอร์ไฟฟ้าที่ทำงานครั้งแรกได้รับการออกแบบและแสดงในปี 1827 โดยนักฟิสิกส์ชาวฮังการี Agnos Jedlic การปรับปรุงกระบวนการทางเทคโนโลยีที่หลากหลายนำไปสู่การย่อขนาดของอุปกรณ์ต่าง ๆ รวมถึงอุปกรณ์สำหรับแปลงพลังงานไฟฟ้าหรือแม่เหล็กเป็นพลังงานกล เกือบ 200 ปีหลังจากการสร้างมอเตอร์ไฟฟ้าเครื่องแรกขนาดของมันถึงเกณฑ์ไมโครมิเตอร์และก้าวเข้าสู่ภูมิภาคนาโนเมตร

หนึ่งในหลายโครงการมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็ก / นาโนสเกลได้รับการเสนอและดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันในปี 2003 ในบทความโดยนักแสดงการหมุนโดยใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์เผยแพร่ในธรรมชาติ

มะเดื่อ 1. เครื่องยนต์ควอนตัมอะตอม อะตอม ultracold สองแบบที่แตกต่างกัน (ลูกบอลสีน้ำตาลและสีน้ำเงิน) อยู่ในโครงตาข่ายแบบวงแหวน ดูข้อความเพื่อดูรายละเอียด มะเดื่อ จากบทความภายใต้การสนทนาในสรวง รายได้ เลทท์

มะเดื่อ 2. แผนผังภาพวาดของมอเตอร์นาโนแผ่นโรเตอร์โลหะ (R) ติดตั้งอยู่บนท่อนาโนคาร์บอนแบบหลายผนัง การสัมผัสทางไฟฟ้ากับระนาบโรเตอร์จะผ่านท่อนาโนคาร์บอนและแองเคอร์ (A1, A2) ขั้วไฟฟ้าสเตเตอร์สามตัว (S1, S2, S3) ตั้งอยู่บนพื้นผิวซิลิคอนออกไซด์ SiO2 มีบทบาทในการควบคุมองค์ประกอบของการหมุนของโรเตอร์ - พวกเขามาพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าเป็นอิสระจากกัน ข รูปภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน ความยาวของสเกลบาร์คือ 300 นาโนเมตร มะเดื่อ จากบทความแอคชูเอเตอร์ที่หมุนอยู่บนพื้นฐานของท่อนาโนคาร์บอนในธรรมชาติ

บนท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังหลายชั้นนั้นจะมีแผ่นโลหะ R แบนซึ่งทำหน้าที่เป็นโรเตอร์ (รูปที่ 2) ท่อนาโนจะถูกติดตั้งบนจุดยึดที่เป็นตัวนำไฟฟ้าสองตัว A1 และ A2 ใบพัดตั้งอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสาม - สเตเตอร์ S1, S2 และ S3 ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าพิเศษกับโรเตอร์และสเตเตอร์สามตัวสามารถควบคุมทิศทางและความเร็วในการหมุนของแผ่นโลหะได้ ท่อนาโนคาร์บอนแบบหลายผนังในการออกแบบนี้ทำหน้าที่เป็นจัมเปอร์ไฟฟ้าเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโรเตอร์และประการที่สองคือการยึดเชิงกลของโรเตอร์

และเมื่อเร็ว ๆ นี้นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากประเทศเยอรมนีในบทความโดย ac-Driven Atomic Quantum Motor ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters เสนอแบบจำลองของเครื่องยนต์ที่มีขนาดไมโครมิเตอร์และทำงานตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม เครื่องยนต์ประกอบด้วยสองอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ - สองอะตอมตั้งอยู่ในโครงตาข่ายแบบวงแหวนและตั้งอยู่ที่อุณหภูมิต่ำมาก (รูปที่ 1) เครื่องฉายออปติคอลเป็นกับดักสำหรับอะตอม ultracold (ที่มีอุณหภูมิตามคำสั่งของ milli หรือ microkelvins) ที่สร้างขึ้นโดยการรบกวนลำแสงเลเซอร์

อะตอมแรกคือ "ตัวพา" (ลูกบอลสีน้ำตาลในรูปที่ 1) อะตอมที่สองคือ "ตัวเริ่มต้น" (ลูกบอลสีฟ้า) เริ่มแรกอนุภาคไม่ตื่นเต้นและตั้งอยู่ที่ก้นบ่อพลังงาน (ในระดับที่มีค่าพลังงานต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) มีการใช้สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงเวลาภายนอก (สัญญาณควบคุม) กับตะแกรงออปติคอลซึ่งมีผลต่อ "ผู้ให้บริการ" และไม่มีผลต่อ "ผู้เริ่มต้น" จุดเริ่มต้นของเครื่องยนต์นี้ซึ่งเป็นผลมาจาก "พาหะ" เริ่มเคลื่อนที่เป็นวงกลมในโครงตาข่ายออปติคอลนั้นจะกระทำผ่านการมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่น - "เริ่มต้น"

การมีอะตอม "เริ่มต้น" ในอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานเต็มรูปแบบของเครื่องยนต์ควอนตัมหากไม่มีอนุภาคที่สองอะตอมของพาหะจะไม่สามารถเริ่มการเคลื่อนที่ตามทิศทางของโครงตาข่าย นั่นคือหน้าที่ของอะตอม“ เริ่มต้น” คือการเริ่มต้นสตาร์ทเครื่องยนต์นี้เพื่อเริ่มต้น ที่จริงนี่คือที่ชื่อของอนุภาคที่สองมาจาก หลังจากเวลาผ่านไป“ ผู้ให้บริการ” ซึ่งอยู่ภายใต้การกระทำของสัญญาณสลับในรูปแบบของสนามแม่เหล็กภายนอกถึงพลังงานสูงสุด - ความเร็วของอะตอมสูงถึงสูงสุดและคงที่ในอนาคต

ตอนนี้บางคำเกี่ยวกับเงื่อนไขสำหรับการทำงานที่มีประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ควอนตัมอะตอม การวิจัยเชิงทฤษฎีโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กตัวแปรภายนอกควรประกอบด้วยสององค์ประกอบฮาร์มอนิกที่มีแอมพลิจูดที่กำหนดและมีการเปลี่ยนเฟสระหว่างเฟส การเปลี่ยนเฟสระหว่างส่วนประกอบมีบทบาทสำคัญในเครื่องยนต์ - ช่วยให้คุณควบคุมเครื่องยนต์นั่นคือเปลี่ยนความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของ "ผู้ให้บริการ" หากมีการใช้สัญญาณฮาร์มอนิกที่เรียบง่ายและสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไปตามกาลเวลาเช่นตามกฎของไซน์ดังนั้น "พาหะ" สามารถเคลื่อนที่ในโครงตาข่ายตาตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาและมันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะควบคุมทิศทางและความเร็วของการเคลื่อนที่ ในรูป รูปที่ 3 แสดงกราฟที่แสดงความเร็วและทิศทางการหมุนของ "ตัวพา" เป็นฟังก์ชันของความแตกต่างของเฟสของฮาร์มอนิกสองตัวซึ่งคำนวณโดยใช้วิธีควอนตัมเชิงกลที่แตกต่างกัน

มะเดื่อ 3. การพึ่งพาความเร็วการเคลื่อนที่ของอะตอม“ vc” บนความแตกต่างของเฟสของฮาร์โมนิก (ส่วนประกอบ) และสนามแม่เหล็กควบคุมคำนวณโดยวิธีควอนตัมเชิงกลสองวิธีที่แตกต่างกัน (เส้นทึบสีแดงและเส้นประสีดำ) ค่าความเร็วเชิงลบสอดคล้องกับทิศทางการหมุนที่แตกต่างกัน ความเร็วของตัวพาจะถูกวัดเป็นหน่วยของความเร็วลักษณะบางอย่าง v0 มะเดื่อ จากบทความภายใต้การสนทนาในสรวง รายได้ เลทท์

จะเห็นว่าความเร็ว "พาหะ" สูงสุดจะถูกสังเกตเมื่อความแตกต่างของเฟสคือπ / 2 และ3π / 4 ค่าลบความเร็วหมายถึงอะตอม ("พาหะ") หมุนในทิศทางตรงกันข้าม นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะพิสูจน์ว่าความเร็วของอะตอม "พาหะ" จะถึงค่าคงที่เฉพาะเมื่อจำนวนโหนดของโครงข่ายออปติคอลมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับ 16 (ดูรูปที่ 3 จำนวนโหนดคือประมาณ, จำนวนจัมเปอร์ระหว่าง "ภูเขา") ดังนั้นในรูป 3 การพึ่งพาอาศัยของ "ผู้ให้บริการ" ความเร็วในความแตกต่างของเฟสจะถูกคำนวณสำหรับ 16 โหนดของตาข่ายแสง

เพื่อให้อุปกรณ์ที่อธิบายไว้ที่นี่ถูกเรียกว่าเอ็นจิ้นเต็มรูปแบบยังคงมีความจำเป็นที่จะต้องค้นหาวิธีการทำงานภายใต้อิทธิพลของการโหลดใด ๆ ในเครื่องยนต์ทั่วไปขนาดของโหลดสามารถอธิบายได้ว่าเป็นช่วงเวลาของแรงภายนอกหรือแรงใด ๆ การเพิ่มขึ้นของโหลดจะนำไปสู่การลดความเร็วของการหมุนของเครื่องยนต์ด้วยการเพิ่มขึ้นในช่วงเวลาของแรงที่เพิ่มขึ้นเครื่องยนต์สามารถเริ่มหมุนในทิศทางที่เพิ่มขึ้นด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น หากคุณเปลี่ยนทิศทางของการประยุกต์ใช้แรงบิดการเพิ่มขึ้นของโหลดจะนำไปสู่การเพิ่มความเร็วของเครื่องยนต์ ไม่ว่าในกรณีใด ๆ สิ่งสำคัญคือการเพิ่มความเร็วอย่างต่อเนื่องในการโหลดอย่างราบรื่นทำให้การเปลี่ยนแปลงความเร็วเครื่องยนต์ราบรื่นและต่อเนื่อง เราสามารถพูดได้ว่าการพึ่งพาความเร็วในการหมุนตามขนาดของโหลดเครื่องยนต์เป็นฟังก์ชั่นต่อเนื่อง

สถานการณ์แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับเครื่องยนต์ควอนตัมอะตอม ประการแรกมีค่าที่ต้องห้ามมากมายในช่วงเวลาของแรงภายนอกที่เครื่องยนต์ควอนตัมจะไม่ทำงาน - ความเร็วของ "พาหะ" จะเป็นศูนย์ (เว้นแต่แน่นอนว่าการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของอะตอมไม่ได้รวมอยู่) ประการที่สองเมื่อมีการเพิ่มขึ้นของค่าภาระที่อนุญาตความเร็วของเครื่องยนต์จะทำงานในลักษณะที่ไม่ใช่โมโตนิก: การเพิ่มขึ้นของช่วงเวลาของแรงที่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเร็ว "พาหะ" แล้วลดลงและจากนั้นเปลี่ยนทิศทางการหมุนของอะตอมโดยทั่วไปแล้วการพึ่งพาความเร็ว "พาหะ" กับขนาดของโหลดจะเป็นฟังก์ชันที่ไม่ต่อเนื่องที่มีคุณสมบัติเป็นเศษส่วน คุณสมบัติความเป็นเศษส่วนหมายความว่าพฤติกรรมที่อธิบายไว้ข้างต้นของเครื่องยนต์ควอนตัมอะตอมจะถูกทำซ้ำในช่วงของค่าโหลดที่เพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ

บทความนี้ยังเสนอแผนภาพการใช้งานจริงของเครื่องยนต์ควอนตัมอะตอม ในการทำเช่นนี้คุณสามารถใช้อะตอม“ เริ่มต้น” ที่ไม่มีประจุและอะตอม“ ผู้ให้บริการ” ที่แตกตัวเป็นไอออน (ตัวเลือกแรก) หรือ“ ตัวเริ่มต้น” อาจเป็นอนุภาคที่มีสปินเป็นศูนย์และ“ พาหะ” อาจเป็นอะตอมที่ไม่หมุน ในกรณีหลังผู้เขียนเสนอให้ใช้ไอโซโทป ytterbium 174Yb กับ zero spin (เช่น boson) และไอโซโทป 171Yb ของมันกับสปินครึ่งจำนวนเต็ม (fermion) หรือ 87Rb รู้จักกันในชื่อวัสดุสำหรับ Bose-Einstein ตัวแรก ตัวอย่างเช่นหากใช้ลิเทียมอะตอมเป็น "ตัวพา" ดังนั้นค่าคงที่ของโครงข่ายแสงสำหรับพารามิเตอร์เครื่องยนต์เพิ่มเติมอื่น ๆ (โดยเฉพาะความลึกของบ่อพลังงานของโครงตาข่ายประกอบแสงและมวลอะตอม) ควรมีค่า 10 μmและความถี่ของสนามควบคุมน้อยกว่า 2 Hz ในกรณีนี้เครื่องยนต์ควอนตัมควอนตัมจะไปถึง "อำนาจสูงสุด" (ความเร็วของ "ผู้ให้บริการ" จะกลายเป็นค่าคงที่) ใน 1 นาที ด้วยระยะเวลาที่ลดลงของตะแกรงแสงอุปกรณ์ถึงพลังงานสูงสุดหลังจาก 10 วินาที

นักทดลองได้ทำการตอบสนองต่อบทความที่ตีพิมพ์โดยนักทฤษฎีชาวเยอรมัน พวกเขาเชื่อว่าการใส่อะตอมสองอะตอมที่แยกกันลงในอาร์เรย์ออพติคัลวงแหวนนั้นอาจเป็นเรื่องจริง แต่ยากมาก นอกจากนี้ยังไม่มีความชัดเจนในการดึงงานที่เป็นประโยชน์จากเครื่องยนต์ดังกล่าว ดังนั้นจึงไม่มีใครรู้ว่าโครงการของเครื่องยนต์ควอนตัมอะตอมนี้จะถูกนำไปใช้หรือไม่หรือว่ามันจะยังคงเป็นแบบจำลองที่สวยงามบนกระดาษโดยนักทฤษฎี

ที่มา: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi มอเตอร์ควอนตัมอะตอมแบบขับเคลื่อนด้วย Ac-Driven // Phys. รายได้ เลทท์ 102, 230601 (2009)

ดูเพิ่มเติมที่: มอเตอร์แม่เหล็กมินาโตะ