Erster nanoelektrischer Motor

Deutsche Theoretiker der Universität Augsburg haben ein Originalmodell eines Elektromotors vorgeschlagen, der nach den Gesetzen der Quantenmechanik arbeitet. Ein speziell ausgewähltes externes magnetisches Wechselfeld wird an zwei Atome angelegt, die in einem ringförmigen optischen Gitter bei einer sehr niedrigen Temperatur angeordnet sind. Eines der Atome, das Wissenschaftler als „Träger“ bezeichneten, beginnt sich entlang des optischen Gitters zu bewegen und nach einer Weile erreicht das zweite Atom die Rolle eines „Starters“ - dank der Wechselwirkung mit ihm beginnt der „Träger“ seine Bewegung. Die gesamte Struktur wird als Quantenatom-Engine bezeichnet.

Der erste funktionierende Elektromotor wurde 1827 vom ungarischen Physiker Agnos Jedlic entworfen und demonstriert. Die Verbesserung verschiedener technologischer Prozesse führt zur Miniaturisierung verschiedener Geräte, einschließlich Geräten zur Umwandlung elektrischer oder magnetischer Energie in mechanische Energie. Fast 200 Jahre nach der Entwicklung des ersten Elektromotors erreichten ihre Größen die Mikrometerschwelle und traten in den Nanometerbereich ein.

Eines der vielen mikro- / nanoskaligen Elektromotorprojekte wurde 2003 von amerikanischen Wissenschaftlern in einem in Nature veröffentlichten Artikel von Rotationsaktuatoren auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren vorgeschlagen und umgesetzt.

Abb. 1. Atomquantenmaschine. Zwei verschiedene ultrakalte Atome (braune und blaue Kugeln) befinden sich in einem ringförmigen optischen Gitter. Einzelheiten finden Sie im Text. Abb. aus dem Artikel in Phys. Rev. Lett.

Abb. 2. Schematische Darstellung eines nanoelektrischen Motors. a. Die Metallrotorplatte (R) ist auf einem mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen montiert. Der elektrische Kontakt zur Rotorebene erfolgt über ein Kohlenstoffnanoröhrchen und Anker (A1, A2). Drei Statorelektroden (S1, S2, S3) auf einem Siliziumoxid-SiO2-Substrat spielen die Rolle von Steuerelementen für die Rotation des Rotors - sie werden unabhängig voneinander mit elektrischer Spannung versorgt. b. Bild eines Elektromotors, der unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops hergestellt wurde. Die Länge des Maßstabs beträgt 300 nm. Abb. aus dem Artikel Rotationsaktuatoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren in der Natur

Auf einem mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen befindet sich ein flaches Blech R, das die Rolle eines Rotors spielt (Abb. 2). Das Nanoröhrchen ist auf zwei elektrisch leitenden Ankern A1 und A2 montiert. Der Rotor befindet sich zwischen den drei Elektroden - den Statoren S1, S2 und S3. Durch Anlegen einer speziellen Spannung an den Rotor und drei Statoren können die Drehrichtung und -geschwindigkeit der Metallplatte gesteuert werden. Die mehrwandige Kohlenstoffnanoröhre in dieser Konstruktion dient zum einen als elektrische Brücke zur Stromversorgung des Rotors und zum anderen als mechanische Befestigung des Rotors.

Und kürzlich schlugen theoretische Physiker aus Deutschland in einem Artikel von ac-Driven Atomic Quantum Motor, der in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, ein Modell eines Motors vor, der Mikrometerdimensionen hat und an den Gesetzen der Quantenmechanik arbeitet. Der Motor besteht aus zwei wechselwirkenden Partikeln - zwei Atomen, die sich in einem ringförmigen optischen Gitter befinden und sich bei einer sehr niedrigen Temperatur befinden (Abb. 1). Ein optisches Gitter ist eine Falle für solche ultrakalten Atome (mit Temperaturen in der Größenordnung von Milli oder Mikrokelvin), die durch störende Laserstrahlen erzeugt werden.

Das erste Atom ist der „Träger“ (braune Kugel in Abb. 1), das zweite Atom ist der „Starter“ (blaue Kugel). Zu Beginn werden die Partikel nicht angeregt und befinden sich am Boden der Energiequelle des Gitters (auf dem Niveau mit dem niedrigstmöglichen Energiewert). Ein externes zeitveränderliches Magnetfeld (Steuersignal) wird an das optische Gitter angelegt, das den "Träger" und nicht den "Starter" beeinflusst. Der Start dieses Motors, durch den der „Träger“ seine Kreisbewegung im optischen Gitter beginnt, erfolgt durch Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen - dem „Starter“.

Das Vorhandensein eines "Starter" -Atoms in einem solchen Gerät ist für den vollen Betrieb der Quantenmaschine erforderlich.Wenn es kein zweites Teilchen gäbe, könnte das Trägeratom seine gerichtete Bewegung entlang des optischen Gitters nicht beginnen. Das heißt, die Aufgabe des "Starter" -Atoms besteht darin, den Start dieses Motors zu initiieren, um ihm einen Start zu geben. Hier kommt eigentlich der Name des zweiten Teilchens her. Nach einiger Zeit erreicht der „Träger“, der bereits von einem Wechselsignal in Form eines externen Magnetfelds beeinflusst wird, seine Spitzenleistung - die Geschwindigkeit des Atoms erreicht sein Maximum und bleibt auch in Zukunft konstant.

Nun ein paar Worte zu den Bedingungen für den effektiven Betrieb eines solchen Quantenatommotors. Theoretische Untersuchungen deutscher Wissenschaftler zeigten, dass ein externes variables Magnetfeld aus zwei harmonischen Komponenten mit gegebenen Amplituden und einer gewissen Phasenverschiebung zwischen ihnen bestehen sollte. Diese Phasenverschiebung zwischen den Komponenten spielt eine Schlüsselrolle im Motor - sie ermöglicht es Ihnen, den Motor zu steuern, dh die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des "Trägers" zu ändern. Wenn ein einfaches harmonisches Signal verwendet würde und sich das Magnetfeld beispielsweise gemäß dem Sinusgesetz zeitlich ändern würde, könnte sich der "Träger" im optischen Gitter gleichermaßen im oder gegen den Uhrzeigersinn bewegen, und es wäre unmöglich, die Richtung und Geschwindigkeit seiner Bewegung zu steuern. In Abb. Abbildung 3 zeigt ein Diagramm, das die Geschwindigkeit und Drehrichtung des „Trägers“ als Funktion der Phasendifferenz der beiden Harmonischen darstellt und mit verschiedenen quantenmechanischen Ansätzen berechnet wurde.

Abb. 3. Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des "Träger" -Atoms vc von der Phasendifferenz der Harmonischen (Komponenten) und des Steuermagnetfeldes, berechnet mit zwei verschiedenen quantenmechanischen Methoden (rote durchgezogene Linie und schwarze gestrichelte Linie). Ein negativer Drehzahlwert entspricht einer anderen Drehrichtung. Die Geschwindigkeit des Trägers wird in Einheiten einer charakteristischen Geschwindigkeit v0 gemessen. Abb. aus dem Artikel in Phys. Rev. Lett.

Es ist ersichtlich, dass die maximale "Träger" -Geschwindigkeit beobachtet wird, wenn die Phasendifferenz π / 2 und 3π / 4 beträgt. Ein negativer Geschwindigkeitswert bedeutet, dass sich das Atom ("Träger") in die entgegengesetzte Richtung dreht. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit des "Träger" -Atoms nur dann ihren konstanten Wert erreicht, wenn die Anzahl der Knoten des optischen Gitters größer oder gleich 16 ist (siehe Abb. 3, die Anzahl der Knoten ist grob gesagt die Anzahl der Jumper dazwischen "Hügel"). Also, in Abb. In 3 wird die Abhängigkeit der "Träger" -Geschwindigkeit von der Phasendifferenz für 16 Knoten des optischen Gitters berechnet.

Damit das hier beschriebene Gerät als vollwertiger Motor bezeichnet werden kann, muss noch herausgefunden werden, wie es unter dem Einfluss einer Last funktioniert. In einem herkömmlichen Motor kann die Größe der Last als das Moment jeglicher äußerer Kräfte oder Kräfte beschrieben werden. Eine Zunahme der Last führt zu einer Abnahme der Drehzahl des Motors, mit einer weiteren Zunahme des Momentes der Kräfte kann der Motor beginnen, sich mit zunehmender Drehzahl in zunehmender Richtung zu drehen. Wenn Sie die Richtung des Aufbringens des Drehmoments ändern, führt eine Erhöhung der Last zu einer Erhöhung der Motordrehzahl. In jedem Fall ist es wichtig, dass eine gleichmäßige kontinuierliche Erhöhung der Last die gleiche gleichmäßige und kontinuierliche Änderung der Motordrehzahl bewirkt. Wir können sagen, dass die Abhängigkeit der Drehzahl von der Größe der Motorlast eine kontinuierliche Funktion ist.

Bei einem Quantenatom-Motor ist die Situation völlig anders. Erstens gibt es viele verbotene Werte für den Moment äußerer Kräfte, bei denen die Quantenmaschine nicht funktioniert - die Geschwindigkeit des „Trägers“ ist Null (es sei denn, natürlich ist die thermische Bewegung des Atoms ausgeschlossen). Zweitens verhält sich die Motordrehzahl bei einer Erhöhung der zulässigen Lastwerte nicht monoton: Eine Erhöhung des Kraftmoments führt zunächst zu einer Erhöhung der "Träger" -Drehzahl, dann zu einer Verringerung und dann zu einer Änderung der Drehrichtung des Atoms bei gleichzeitiger Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit.Im Allgemeinen ist die Abhängigkeit der "Träger" -Geschwindigkeit von der Größe der Last eine diskrete Funktion, die auch fraktale Eigenschaften aufweist. Die Fraktalitätseigenschaft bedeutet, dass das oben beschriebene Verhalten eines Quantenatommotors in einem sich regelmäßig erweiternden Bereich von Lastwerten wiederholt wird.

Der Artikel schlägt auch ein Schema für die praktische Implementierung dieses Quantenkernmotors vor. Dazu können Sie ein ungeladenes "Starter" -Atom und ein ionisiertes "Träger" -Atom verwenden (erste Option), oder ein "Starter" kann ein Teilchen mit null Spin sein, und ein "Träger" kann ein Atom mit einem Nicht-Null-Spin sein (zweite Option). Im letzteren Fall schlagen die Autoren vor, die Ytterbium-174Yb-Isotope mit Null-Spin (d. H. Das Boson) und sein 171Yb-Isotop mit halb-ganzzahligem Spin (Fermion) oder 87Rb, bekannt als Material für die erste Bose-Einstein-Kondensation, und die 6Li-Fermion zu verwenden. Wenn beispielsweise ein Lithiumatom als "Träger" verwendet wird, sollte die optische Gitterkonstante für einige andere zusätzliche Motorparameter (insbesondere die Tiefe der Energiequelle des optischen Gitters und die Masse der Atome) 10 & mgr; m betragen und die Frequenz des Steuerfelds weniger als 2 Hz betragen. In diesem Fall erreicht der Quantenatommotor in 1 Minute die „Leistungsspitze“ (die Geschwindigkeit des „Trägers“ wird konstant). Mit einer Verringerung der Periode des optischen Gitters erreicht das Gerät nach 10 Sekunden seine maximale Leistung.

Experimentatoren haben es bereits geschafft, auf einen veröffentlichten Artikel deutscher Theoretiker zu antworten. Sie glauben, dass das Einfügen von zwei getrennt genommenen Atomen in eine solche ringförmige optische Anordnung technisch, vielleicht real, aber sehr schwierig ist. Darüber hinaus ist unklar, wie aus einem solchen Motor nützliche Arbeit gewonnen werden kann. Es ist also nicht bekannt, ob das Projekt einer solchen Quantenatom-Engine umgesetzt wird oder ob es von Theoretikern ein schönes Modell auf Papier bleiben wird.

Quelle: A.V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. AC-getriebener Atomquantenmotor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Siehe auch: Minato Magnetmotor