הפיזיקאים בנה מנוע סופר זעיר מופעל על ידי אטום סידן יחיד

הפיזיקאים פיתחו מנוע שאי אפשר לראות בעין בלתי מזוינת.

במאמר שפורסם היום בכתב העת מדע, צוות המחקר מאוניברסיטת מיינץ ואוניברסיטת קאסל בגרמניה יצר מערכת אלקטרומגנטית שמלכדת אטום יחיד של Calcium-40 ומניע אותו, יוצר אנרגיה בדיוק כמו מנועי קטר אדים ומכוניות. ובגלל מצב מכני קוונטי של מנוע זעיר זה, פיסיקאים מאמינים כי המערכת פועלת באותה רמה והוא יכול אפילו להיות יעיל יותר מאשר את המנוע הממוצע המכונית.

"יש הרבה הסברים תיאורטיים וחקירות במאפיינים קוונטיים של מנועים מאז שנות החמישים המאוחרות", מוביל חוקר ופיזיקאי ניסיוני מאוניברסיטת מיינץ, יוהנס רוזנגל מספר הפוך. "הראינו עכשיו שזה אפשרי".

Roßnagel וצוותו החלו על הפרויקט לפני ארבע שנים, כאשר הם רצו לחקור תופעות קוונטית תרמודינמיקה, וחשבתי הדרך הטובה ביותר הניסוי יהיה ליצור מנוע. הם היו צריכים לבנות הכל מאפס על תקציב קטן של כמה מאות יורו, הוא אומר. הם היו צריכים לבנות אלקטרוניקה מותאמת אישית ומערכת שיכולה לשלוט על יון ברמה מדויקת מאוד. זה לקח להם שנה שלמה רק כדי לפתח את הטכניקה כדי להשיג מדידות טמפרטורה - שיטות נפוצות להיות איטי מדי או לא מדויק עבור המנוע שלהם.

מה שהם הגיעו בסופו של דבר היה מלכודת יונים של שמונה מילימטרים וארבע מילימטרים בקוטר של זהב, עם לוחות זהב ואלקטרודות ששרדו את אטום הסידן הבודד (אבל כל אטום טעון יכול לעשות את העבודה) בתוך שדה אלקטרומגנטי. שתי לייזרים מצביעות על קצות המלכודת, אחת מחממת את האטום והאחרת מקררת אותו. תנודה זו בטמפרטורה מניעה את היון כדי ליצור תנודה הרמונית ההולכת וגדלה - כמו גל קול. זה אותו רעיון כמו מנועי תרמי גדולים יותר, כי להסתמך על גז או נוזלים כדי ליצור עבודה מכנית, אלא במקרה זה יש רק חלקיק אחד, Roßnagel מסביר.

בעוד מנוע אטום יחיד יכול לייצר רק 10-22 וואט, אבל הוא למעשה דומה למכונית מנוע, אומר Roßnagel. אם אתה מחשב את כמות האנרגיה של חלקיקי גז בודדים במנוע המנוע הממוצע, כוח המנוע הוא בסדר גודל זהה לזה של מנוע האטום היחיד.

"זה היה מפתיע מאוד עבורנו", אומר רוסנגל. "משמעות הדבר היא שכאשר אתה סולם מערכת כזו עד חלקיק אחד, זה עדיין ביצועים על אותה רמה כמו מנועי macroscopic לעשות."

הוא ועמיתיו מאמינים כי רמת היעילות נובעת מתופעות קוונטיות, תכונות ייחודיות שניתן לייצר רק באמצעות אטומים בודדים וחלקיקים. Roßnagel מסביר כי תופעות קוואנטום תרמודינמי יעשה את זה כך מנועי לא צריך להסתמך על הטמפרטורה כמקור אנרגיה יחיד, וכי מאפיינים של מנוע אחד הקוונטים אטום יחיד יש פוטנציאל לייצר יותר כוח מאשר מנוע תרמי. עם זאת, פיסיקאים בחוץ לא כל כך בטוח.

"אני לא מוכן לקבל את היעילות הזו היא רק מתוך" המוזרות של מכניקת הקוונטים ", אמר הרטמוט הפנר, פיסיקאי תיאורטי מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שלא היה מעורב בניסוי. ב -2014, כשרוזנגל כתב מאמר על המנוע. Häffner מוסיף כי פוטנציאל יחיד אטום המנוע עצמו "הוא מאוד מעניין מאוד מתואר. הוא מנסה לדחוף את הגבולות של מה שאנחנו יודעים על התרמודינמיקה למשטר חדש ".

מנוע אטום יחיד Roßnagel וצוותו בנוי הוא המנוע הקטן ביותר שהוא יודע קיים כיום. עם זאת, יש אפשרות ליצור אפילו קטן יותר עם אלקטרון אחד, אבל הוא לא מאמין שיש עניין במרדף אחד. "יש לנו חלקיק אחד שפועל במנוע, ואם זה אטום סידן או אלקטרון, מנקודת המבט המחקרית שלנו, זה לא משנה".

לאחר מכן, Roßnagel רוצה לבנות מקררים זעירים עם הטכנולוגיה. על ידי הפעלת מחזור תרמודינמי סביב, מנוע אטום יחיד יפעל בדיוק כמו מקרר, הוא מסביר. המערכת מייצרת הפרש טמפרטורה, יצירת צד מחומם בצד כי הוא מקורר - כמו שלנו אחסון מזון. בעתיד הרחוק, הוא יכול גם לראות את המנועים האלה ננו לשפר שבבי טרנזיסטורים אטום יחיד.

"החום שנוצר במהלך ניתוח הוא בעיה ענקית מאוד עבור תעשיית השבבים. אני חושב שיש עוד מערכות קירור בהישג יד יהיה מאוד מועיל ", הוא אומר.

לא משנה מה בדיוק יוצא מנוע אטום יחיד שלהם, Roßnagel סבור "זה ימצא כמה יישומים גדולים יותר ביום."