Første nanoelektrisk motor

Tyske teoretikere fra University of Augsburg har foreslått en original modell av en elektrisk motor som opererer etter kvantemekanikkens lover. Et spesielt valgt eksternt vekslende magnetfelt blir påført to atomer plassert i et ringformet optisk gitter ved en veldig lav temperatur. Et av atomene, som forskere kalte “bæreren”, begynner å bevege seg langs det optiske gitteret og når en stund når konstant hastighet, spiller det andre atomen rollen som en “startmotor” - takket være samspillet med det, begynner “bæreren” sin bevegelse. Hele strukturen kalles en kvant atommotor.

Den første fungerende elektriske motoren ble designet og demonstrert i 1827 av den ungarske fysikeren Agnos Jedlic. Forbedringen av forskjellige teknologiske prosesser fører til miniaturisering av forskjellige enheter, inkludert enheter for å konvertere elektrisk eller magnetisk energi til mekanisk energi. Nesten 200 år etter etableringen av den første elektriske motoren, nådde størrelsene mikrometergrensen og gikk inn i nanometerregionen.

Et av de mange mikro / nanoskala-elektromotorprosjektene ble foreslått og implementert av amerikanske forskere i 2003 i en artikkel av Rotational actuators basert på karbon nanorør, publisert i Nature.

Fig. 1. Atomkvantemotor. To forskjellige ultracold atomer (brune og blå kuler) er i et ringformet optisk gitter. Se teksten for detaljer. Fig. fra artikkelen som diskuteres i Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Skjematisk tegning av en nanoelektrisk motor. a. Metallrotorplaten (R) er montert på en flervegget karbon nanorør. Elektrisk kontakt til rotorplanet er gjennom en karbon nanorør og forankringer (A1, A2). Tre statorelektroder (S1, S2, S3) plassert på et silisiumoksyd SiO2-underlag spiller rollen som kontrollelementer for rotasjonen av rotoren - de leveres med elektrisk spenning uavhengig av hverandre. b. Bilde av en elektrisk motor laget ved hjelp av et skannende elektronmikroskop. Lengden på skalastangen er 300 nm. Fig. fra artikkelen Rotasjonsaktuatorer basert på karbon nanorør i Nature

På en flervegget karbon-nanorør er det et flatt metallark R, som spiller rollen som en rotor (fig. 2). Nanorøret er montert på to elektrisk ledende forankringer A1 og A2. Rotoren er plassert mellom de tre elektrodene - statorene S1, S2 og S3. Ved å påføre en spesiell spenning på rotoren og tre statorer, kan metallplatens rotasjonsretning og hastighet styres. Den flerveggede karbon nanorøret i denne designen fungerer for det første som en elektrisk jumper for å tilføre strømmen til rotoren, og for det andre som en mekanisk festing av rotoren.

Og nylig foreslo teoretiske fysikere fra Tyskland i en artikkel av ac-Driven Atomic Quantum Motor, publisert i tidsskriftet Physical Review Letters, en modell av en motor som har mikrometerdimensjoner og fungerer etter kvantemekanikkens lover. Motoren består av to samvirkende partikler - to atomer som er plassert i et ringformet optisk gitter og som er lokalisert ved en veldig lav temperatur (fig. 1). Et optisk gitter er en felle for slike ultrakalte atomer (med temperaturer i størrelsesorden milli eller mikrokjell) laget av forstyrrende laserstråler.

Det første atomet er "bæreren" (brun ball i fig. 1), det andre atomet er "starteren" (blå ball). Opprinnelig er ikke partiklene eksiterte og befinner seg i bunnen av energibrønnen til gitteret (på nivået med lavest mulig energiverdi). Et eksternt tidsvarierende magnetfelt (styresignal) blir brukt på det optiske gitteret, noe som påvirker “bæreren” og ikke påvirker “starteren”. Starten av denne motoren, som et resultat av at "bæreren" begynner sin sirkulære bevegelse i det optiske gitteret, utføres gjennom interaksjon med en annen partikkel - "starteren".

Tilstedeværelsen av et "start" -atom i en slik enhet er nødvendig for full drift av kvantemotoren.Hvis det ikke var noen andre partikkel, kunne ikke bæreratom begynne sin rettede bevegelse langs det optiske gitteret. Det vil si at "start" -atomens oppgave er å starte starten av denne motoren, for å gi den en start. Egentlig er det her navnet på den andre partikkelen kommer fra. Etter en tid når "bæreren", allerede under handlingen av et vekslende signal i form av et eksternt magnetfelt, sin toppeffekt - atomets hastighet når sitt maksimum og forblir konstant i fremtiden.

Nå noen få ord om betingelsene for effektiv drift av en slik kvantumatommotor. Teoretisk forskning fra tyske forskere viste at et eksternt variabelt magnetfelt skulle bestå av to harmoniske komponenter med gitte amplituder og med noe faseskift mellom dem. Denne faseforskyvningen mellom komponentene spiller en nøkkelrolle i motoren - den lar deg kontrollere motoren, det vil si endre hastigheten og bevegelsesretningen til "bæreren". Hvis et enkelt harmonisk signal ble brukt og magnetfeltet endret seg i tid, for eksempel i henhold til sinusloven, kunne "bæreren" like bevege seg i det optiske gitteret medurs eller mot klokken, og det ville være umulig å kontrollere retningen og hastigheten på bevegelsen. I fig. Figur 3 viser en graf som representerer hastigheten og rotasjonsretningen til "bæreren" som en funksjon av faseforskjellen til de to harmonikkene, beregnet ved bruk av forskjellige kvantemekaniske tilnærminger.

Fig. 3. Avhengighet av bevegelseshastigheten til "bærer" -atom vc på faseforskjellen til harmoniske (komponenter) og kontrollmagnetiske felt, beregnet ved to forskjellige kvantemekaniske metoder (rød hellinje og svart stiplet linje). En verdi for negativ hastighet tilsvarer en annen rotasjonsretning. Bærehastigheten måles i enheter med en eller annen karakteristisk hastighet v0. Fig. fra artikkelen som diskuteres i Phys. Rev. Lett.

Man ser at den maksimale “bærehastigheten” vil bli observert når faseforskjellen er π / 2 og 3π / 4. En negativ verdi på hastighet betyr at atomet ("bærer") roterer i motsatt retning. I tillegg var det mulig å konstatere at hastigheten til "bærer" -atomet vil nå sin konstante verdi bare når antall noder for det optiske gitteret er større enn eller lik 16 (se fig. 3, antall knutepunkter er grovt sett antall hoppere mellom "hills"). Så i fig. 3 beregnes avhengigheten av "bærehastigheten" av faseforskjellen for 16 noder av det optiske gitteret.

For at enheten som er beskrevet her skal bli kalt en fullverdig motor, er det fortsatt nødvendig å finne ut hvordan det fungerer under påvirkning av enhver belastning. I en konvensjonell motor kan størrelsen på lasten beskrives som øyeblikket til eksterne krefter eller krefter. En økning i belastningen fører til en reduksjon i rotasjonshastigheten til motoren, med en ytterligere økning i øyeblikket av krefter kan motoren begynne å rotere i økende retning med økende hastighet. Hvis du endrer påføringsretningen til dreiemomentet, vil en økning i lasten føre til en økning i motorens turtall. Uansett er det viktig at en jevn kontinuerlig økning i belastningen gir den samme jevne og kontinuerlige endringen i motorens turtall. Vi kan si at avhengigheten av rotasjonshastigheten av størrelsen på motorbelastningen er en kontinuerlig funksjon.

Situasjonen er helt annerledes med en kvantatommotor. For det første er det mange forbudte verdier for øyeblikket til eksterne krefter hvor kvantemotoren ikke vil fungere - hastigheten til "bæreren" vil være null (med mindre, naturligvis, den termiske bevegelsen til atomet er utelukket). For det andre, med en økning i de tillatte belastningsverdiene, oppfører motorens turtall seg på en ikke-monotonisk måte: en økning i kreftene øyeblikk fører først til en økning i "bærerens" hastighet, deretter til dens reduksjon, og deretter til en endring i atomets rotasjonsretning med en samtidig økning i bevegelseshastigheten.Generelt sett vil avhengigheten av "bærehastigheten" av størrelsen på lasten være en diskret funksjon som også har fraktale egenskaper. Bruddegenskapen betyr at den ovenfor beskrevne oppførselen til en kvantumatommotor vil gjentas i et regelmessig ekspanderende område av belastningsverdier.

Artikkelen foreslår også et diagram over den praktiske implementeringen av denne kvante atommotoren. For å gjøre dette kan du bruke et uladet "start" -atom og et ionisert "bærer" -atom (første alternativ), eller en "start" kan være en partikkel med null spinn, og en "bærer" kan være et atom med et ikke-null spinn (andre alternativ). I sistnevnte tilfelle foreslår forfatterne å bruke ytterbium 174Yb-isotoper med null spinn (dvs. boson) og dens 171Yb-isotop med halvtallspinn (fermion) eller 87Rb, kjent som materialet for den første Bose-Einstein-kondensasjonen, og 6Li fermion. For eksempel, hvis et litiumatom blir brukt som en "bærer", bør den optiske gitterkonstanten for noen andre tilleggsparametre (spesielt dybden til energibrønnen til det optiske gitteret og massen av atomer) være 10 um, og frekvensen til kontrollfeltet er mindre enn 2 Hz. I dette tilfellet vil den kvante atommotoren nå "kraftens topp" (hastigheten til "bæreren" blir konstant) på 1 minutt. Med en reduksjon i perioden for det optiske gitteret når enheten sin maksimale effekt etter 10 sekunder.

Eksperimenter har allerede klart å svare på en publisert artikkel av tyske teoretikere. De mener at å sette to atomer som er tatt separat i en så ringformet optisk matrise er teknisk, kanskje, ekte, men veldig vanskelig. I tillegg er det uklart hvordan man kan hente ut nyttig arbeid fra en slik motor. Så det er ikke kjent om prosjektet til en så kvant atommotor vil bli implementert eller om det vil forbli en vakker modell på papir av teoretikere.

Kilde: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-Driven Atomic Quantum Motor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Se også: Minato magnetisk motor