Første nanoelektrisk motor

Tyske teoretikere fra University of Augsburg har foreslået en original model af en elektrisk motor, der fungerer på kvantemekanikens love. Et specielt valgt eksternt skiftende magnetfelt påføres to atomer placeret i et ringformet optisk gitter ved en meget lav temperatur. Et af atomerne, som forskere kaldte "bæreren", begynder at bevæge sig langs det optiske gitter og når et stykke tid når konstant hastighed, spiller det andet atom rollen som en "starter" - takket være interaktionen med det begynder "bæreren" sin bevægelse. Hele strukturen kaldes en kvante atommotor.

Den første fungerende elektriske motor blev designet og demonstreret i 1827 af den ungarske fysiker Agnos Jedlic. Forbedringen af ​​forskellige teknologiske processer fører til miniaturisering af forskellige enheder, herunder enheder til konvertering af elektrisk eller magnetisk energi til mekanisk energi. Næsten 200 år efter oprettelsen af ​​den første elektriske motor nåede deres størrelser mikrometergrænsen og trådte ind i nanometerområdet.

Et af de mange mikro / nanoskala-elmotorprojekter blev foreslået og implementeret af amerikanske forskere i 2003 i en artikel af Rotations-aktuatorer baseret på kulstofananorør, offentliggjort i Nature.

Fig. 1. Atomkvantemotor. To forskellige ultrakaldte atomer (brune og blå kugler) er i et ringformet optisk gitter. Se teksten for detaljer. Fig. fra den artikel, der diskuteres i Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Skematisk tegning af en nanoelektrisk motor. a. Metalrotorpladen (R) er monteret på en multi-vægget carbon nanorør. Elektrisk kontakt til rotorplanet sker gennem en carbon nanorør og ankre (A1, A2). Tre statorelektroder (S1, S2, S3) placeret på et siliciumoxid SiO2-underlag spiller rollen som styring af rotorrotationselementer - de leveres med elektrisk spænding uafhængigt af hinanden. b. Billede af en elektrisk motor lavet ved hjælp af et scanningselektronmikroskop. Målestangens længde er 300 nm. Fig. fra artiklen Rotationsaktuatorer baseret på carbon nanorubes in Nature

På en flervægget carbon nanorør findes der et fladt metalark R, der spiller rollen som en rotor (fig. 2). Nanorøret er monteret på to elektrisk ledende ankre A1 og A2. Rotoren er placeret mellem de tre elektroder - statorerne S1, S2 og S3. Ved at anvende en speciel spænding på rotoren og tre statorer, kan metalpladenes drejningsretning og hastighed styres. Den multi-vægede carbon nanorør i dette design tjener for det første som en elektrisk springer til at levere strøm til rotoren, og for det andet som en mekanisk fastgørelse af rotoren.

Og for nylig foreslog teoretiske fysikere fra Tyskland i en artikel af ac-Driven Atomic Quantum Motor, offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters, en model af en mikrometer-størrelse motor, der fungerer efter kvantemekanikkens love. Motoren består af to samvirkende partikler - to atomer placeret i et ringformet optisk gitter og placeret ved en meget lav temperatur (fig. 1). Et optisk gitter er en fælde for sådanne ultrakaldte atomer (med temperaturer i størrelsesordenen milli eller mikrokelviner) skabt ved at forstyrre laserstråler.

Det første atom er "bæreren" (brun kugle i fig. 1), det andet atom er "starter" (blå kugle). Oprindeligt ophidses ikke partiklerne og er placeret i bunden af ​​gitterets energibrønde (på det niveau med den lavest mulige energiverdi). Et eksternt tidsvarierende magnetfelt (styresignal) påføres det optiske gitter, som påvirker “bæreren” og ikke påvirker “starteren”. Starten af ​​denne motor, som et resultat af, at "bæreren" begynder sin cirkulære bevægelse i det optiske gitter, udføres gennem interaktion med en anden partikel - "starteren".

Tilstedeværelsen af ​​et "start" -atom i en sådan enhed er nødvendigt for kvantemotorens fulde drift.Hvis der ikke var nogen anden partikel, kunne bæreratomet ikke begynde sin dirigerede bevægelse langs den optiske gitter. Det vil sige, at "start" -atomens opgave er at starte starten af ​​denne motor for at give det en start. Faktisk er det her navnet på den anden partikel kommer fra. Efter et stykke tid når "bæreren", allerede under handling af et vekslende signal i form af et eksternt magnetfelt, sin højeste effekt - atomhastigheden når sit maksimum og forbliver konstant i fremtiden.

Nu et par ord om betingelserne for effektiv drift af en sådan kvantatomomotor. Teoretisk forskning fra tyske forskere viste, at et eksternt skiftende magnetfelt skulle bestå af to harmoniske komponenter med givne amplituder og med et eller andet faseskift imellem. Denne faseskift mellem komponenterne spiller en nøglerolle i motoren - det giver dig mulighed for at kontrollere motoren, det vil sige ændre hastigheden og bevægelsesretningen for "bæreren". Hvis der kun blev anvendt et harmonisk signal, og magnetfeltet ændret sig i tiden, for eksempel i henhold til sinusloven, kunne "bæreren" lige så bevæge sig i det optiske gitter med uret eller mod uret, og det ville være umuligt at kontrollere retningen og hastigheden af ​​dens bevægelse. I fig. Figur 3 viser en graf, der repræsenterer hastigheden og rotationsretningen af ​​"bæreren" som en funktion af faseforskellen mellem de to harmoniske, beregnet ved anvendelse af forskellige kvantemekaniske fremgangsmåder.

Fig. 3. Afhængighed af bevægelseshastigheden for "bærer" -atom vc af faseforskellen i harmoniske (komponenter) og kontrolmagnetfeltet, beregnet ved to forskellige kvantemekaniske metoder (rød hellinie og sort stiplet linje). En negativ hastighedsværdi svarer til en anden rotationsretning. Bærernes hastighed måles i enheder med en eller anden karakteristisk hastighed v0. Fig. fra den artikel, der diskuteres i Phys. Rev. Lett.

Det ses, at den maksimale hastighed for "bæreren" vil blive observeret, når faseforskellen er π / 2 og 3π / 4. En negativ hastighedsværdi betyder, at atomet ("bærer") roterer i den modsatte retning. Derudover var det muligt at bestemme, at hastigheden af ​​"bærer" -atom kun når sin konstante værdi, når antallet af knuder i den optiske gitter er større end eller lig med 16 (se fig. 3, antallet af knudepunkter er groft set antallet af springere mellem "bakker"). Så i fig. 3 beregnes afhængigheden af ​​"bærehastighedshastigheden" af faseforskellen for 16 knuder af det optiske gitter.

For at enheden, der er beskrevet her, skal kaldes en fuldgyldig motor, skal du stadig finde ud af, hvordan den fungerer under påvirkning af enhver belastning. I en konventionel motor kan belastningens størrelse beskrives som øjeblikket for eksterne kræfter eller kræfter. En stigning i belastningen fører til et fald i motorens rotationshastighed, med en yderligere stigning i kræfterne kan motoren begynde at rotere i stigende retning med stigende hastighed. Hvis du ændrer drejningsmomentets anvendelsesretning, vil en stigning i belastningen føre til en stigning i motorhastigheden. Under alle omstændigheder er det vigtigt, at en jævn kontinuerlig stigning i belastningen giver den samme glatte og kontinuerlige ændring i motorhastigheden. Vi kan sige, at afhængigheden af ​​rotationshastigheden af ​​størrelsen af ​​motorbelastningen er en kontinuerlig funktion.

Situationen er helt anderledes med en kvante atommotor. For det første er der mange forbudte værdier i det øjeblik af eksterne kræfter, hvor kvantemotoren ikke fungerer - hastigheden for "bæreren" vil være nul (medmindre naturligvis atomens termiske bevægelse er udelukket). For det andet, med en stigning i de tilladte belastningsværdier, opfører motorhastigheden sig på en ikke-monotonisk måde: En stigning i kræftmomentet fører først til en stigning i "bære" -hastigheden, derefter til dets fald og derefter til en ændring i atomets rotationsretning med en samtidig stigning i bevægelseshastigheden.Generelt vil afhængigheden af ​​"bærehastigheden" af lastværdien være en diskret funktion, som også har fraktale egenskaber. Fraktualitetsegenskaben betyder, at den ovenfor beskrevne opførsel af en kvantatommotor gentages i et regelmæssigt ekspanderende område af belastningsværdier.

Artiklen foreslår også et skema til praktisk implementering af denne kvante atommotor. For at gøre dette kan du bruge et ikke-ladet "starter" -atom og et ioniseret "bærer" -atom (første mulighed), eller en "starter" kan være en partikel med nulspin, og en "bærer" kan være et atom med et ikke-nulspin (anden mulighed). I sidstnævnte tilfælde foreslår forfatterne at anvende ytterbium 174Yb-isotoper med nul spin (dvs. boson) og dens 171Yb-isotop med halv-heltal spin (fermion) eller 87Rb, kendt som materialet til den første Bose-Einstein kondensation, og 6Li fermion. For eksempel, hvis et lithiumatom bruges som en "bærer", skal den optiske gitterkonstant for nogle andre yderligere motorparametre (især dybden af ​​energibrønden for det optiske gitter og massen af ​​atomer) være 10 um, og frekvensen af ​​kontrolfeltet er mindre end 2 Hz. I dette tilfælde når den kvante atommotor "kraftens top" (hastigheden på "bæreren" bliver konstant) på 1 minut. Med et fald i perioden for det optiske gitter når enheden sin maksimale effekt efter 10 sekunder.

Eksperimenter har allerede formået at svare på en offentliggjort artikel af tyske teoretikere. De mener, at det er teknisk, måske virkelig, men meget vanskeligt at sætte to atomer, som er taget separat i en sådan ringformet optisk matrix. Derudover er det uklart, hvordan man kan udtrække nyttigt arbejde fra en sådan motor. Så det vides ikke, om projektet med en sådan kvantatommotor vil blive implementeret, eller om det vil forblive en smuk model på papir af 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