Motor nanoelektrik pertama

Ahli teori Jerman dari University of Augsburg telah mencadangkan satu model asal sebuah motor elektrik yang beroperasi pada undang-undang mekanik kuantum. Bidang medan magnet luaran yang terpilih khas digunakan untuk dua atom yang diletakkan dalam kisi optik berbentuk cincin pada suhu yang sangat rendah. Salah satu atom, yang mana para saintis memanggil "pembawa", mula bergerak sepanjang kisi optik dan selepas beberapa ketika mencapai kelajuan yang tetap, atom kedua memainkan peranan "starter" - berkat interaksi dengannya, "pembawa" memulakan pergerakannya. Seluruh struktur dipanggil enjin atom kuantum.

Motor elektrik bekerja pertama direka dan dibuktikan pada tahun 1827 oleh pakar fizik Hungaria, Agnos Jedlic. Pembaikan pelbagai proses teknologi membawa kepada pengintegrasian pelbagai peranti, termasuk peranti untuk menukar tenaga elektrik atau magnet ke dalam tenaga mekanikal. Hampir 200 tahun selepas penciptaan motor elektrik pertama, saiz mereka mencapai ambang mikrometer dan melangkah ke rantau nanometer.

Salah satu daripada banyak projek motor elektrik mikro / nanoscale telah dicadangkan dan dilaksanakan oleh saintis Amerika pada tahun 2003 dalam satu artikel oleh penggerak berputar berdasarkan nanotube karbon, diterbitkan dalam Alam.

Rajah. 1. Enjin kuantum atom. Dua atom ultracold yang berlainan (bola coklat dan biru) berada dalam kisi optikal anulus. Lihat teks untuk maklumat lanjut. Rajah. dari artikel yang dibincangkan dalam Fiz. Wahyu Lett.

Rajah. 2. Lukisan skematik motor nanoelektrik. a. Plat pemutar logam (R) dipasang di nanotube karbon berbilang padat. Hubungan elektrik ke pesawat pemutar adalah melalui nanotube karbon dan sauh (A1, A2). Tiga elektrod stator (S1, S2, S3) yang terletak di atas substrat silikon oksida SiO2 memainkan peranan unsur kawalan untuk putaran rotor - mereka dibekalkan dengan voltan elektrik secara bebas antara satu sama lain. b. Imej motor elektrik dibuat menggunakan mikroskop elektron imbasan. Panjang bar skala adalah 300 nm. Rajah. dari artikel Penggerak berputar berdasarkan nanotube karbon di Alam

Pada nanotub karbon berbilang bertanda, terdapat lembaran rata logam R memainkan peranan pemutar (Rajah 2). Nanotube dipasang pada dua sauh konduktif elektrik A1 dan A2. Pemutar terletak di antara tiga elektrod - statik S1, S2 dan S3. Dengan menggunakan voltan khas kepada pemutar dan tiga penyokong, arah dan kelajuan putaran plat logam boleh dikawal. Nanotube karbon berbilang berdinding dalam reka bentuk ini berfungsi, pertama, sebagai pelompat elektrik untuk membekalkan arus ke pemutar, dan kedua, sebagai pengancing mekanikal pemutar.

Dan baru-baru ini, ahli fizik teori dari Jerman dalam rencana oleh Quantum Motor Quantum Drived Atom, diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters, mencadangkan model enjin yang mempunyai dimensi mikrometer dan berfungsi pada undang-undang mekanik kuantum. Enjin terdiri daripada dua zarah yang berinteraksi - dua atom yang terletak dalam kisi optik anular dan terletak pada suhu yang sangat rendah (Rajah 1). Kisi optik adalah perangkap bagi atom ultracold (dengan suhu pada urutan milli atau microkelvins) yang diciptakan oleh sinar laser yang mengganggu.

Atom pertama ialah "pembawa" (bola coklat dalam Rajah 1), atom kedua adalah "starter" (bola biru). Pada mulanya, zarah tidak teruja dan terletak di dasar telaga tenaga kisi (pada tahap dengan nilai tenaga paling rendah). Bidang medan magnet yang berlainan masa (isyarat kawalan) digunakan pada kisi optik, yang memberi kesan kepada "pembawa" dan tidak menjejaskan "permulaan". Permulaan enjin ini, yang mana "pembawa" memulakan gerakan bulatnya dalam kisi optik, dilakukan melalui interaksi dengan zarah lain - "starter".

Kehadiran atom "starter" dalam peranti sedemikian diperlukan untuk operasi penuh enjin kuantum.Sekiranya tiada zarah kedua, atom pengangkut tidak boleh memulakan gerakan yang diarahkan sepanjang kisi optik. Maksudnya, tugas "starter" atom adalah untuk memulakan permulaan enjin ini, untuk memulakannya. Sebenarnya, ini adalah di mana nama zarah kedua berasal. Setelah beberapa lama, "pembawa", sudah berada di bawah tindakan isyarat bergantian dalam bentuk medan magnet luar, mencapai kuasa puncaknya - halaju atom mencapai maksimum dan kekal tetap pada masa depan.

Sekarang beberapa kata mengenai keadaan untuk operasi berkesan enjin atom kuantum sedemikian. Penyelidikan teoritikal oleh saintis Jerman menunjukkan bahawa medan magnet bergantungan luaran hendaklah terdiri daripada dua komponen harmonik dengan amplitud yang diberikan dan dengan beberapa perubahan fasa di antara mereka. Peralihan fasa ini antara komponen memainkan peranan penting dalam enjin - ia membolehkan anda mengawal enjin, iaitu perubahan kelajuan dan arah pergerakan "pembawa". Jika isyarat mudah harmonik digunakan dan medan magnet berubah mengikut masa, sebagai contoh, menurut undang-undang sinus, maka "pembawa" sama-sama boleh bergerak dalam kisi optik mengikut arah jam atau lawan jam, dan tidak mungkin untuk mengawal arah dan kelajuan usulnya. Dalam rajah. Rajah 3 menunjukkan graf yang mewakili kelajuan dan arah putaran "pembawa" sebagai fungsi perbezaan fasa kedua harmonik, dikira menggunakan pendekatan kuantum-mekanikal yang berlainan.

Rajah. 3. Ketergantungan halaju gerakan "pembawa" atom vc pada perbezaan fasa harmonik (komponen) dan medan magnet kawalan, dikira oleh dua kaedah mekanik kuantum yang berbeza (garisan padat merah dan garisan putar hitam). Nilai kelajuan negatif sepadan dengan arah putaran yang berbeza. Kelajuan pengangkut diukur dalam unit kelajuan tertentu ciri v0. Rajah. dari artikel yang dibincangkan dalam Fiz. Wahyu Lett.

Ia dilihat bahawa halaju maksimum "pembawa" akan diperhatikan apabila perbezaan fasa adalah π / 2 dan 3π / 4. Nilai negatif kelajuan bermaksud bahawa atom ("pembawa") berputar ke arah yang bertentangan. Di samping itu, adalah mungkin untuk menentukan bahawa halaju atom "pembawa" akan mencapai nilai tetapnya hanya apabila bilangan nod kisi optik lebih besar daripada atau sama dengan 16 (lihat Rajah 3, bilangan nod adalah, secara kasarnya, bilangan penerjun antara "Hills"). Jadi, dalam rajah. 3, pergantungan halaju "pembawa" pada perbezaan fasa dikira untuk 16 nod kisi optik.

Untuk peranti yang dijelaskan di sini dipanggil enjin penuh, anda masih perlu mengetahui cara ia berfungsi di bawah pengaruh sebarang beban. Dalam enjin konvensional, magnitud beban boleh digambarkan sebagai momen mana-mana daya atau tentera luar. Peningkatan beban membawa kepada penurunan dalam kelajuan putaran enjin, dengan peningkatan selanjutnya pada saat daya, enjin dapat mula berputar dalam arah yang semakin meningkat dengan peningkatan kecepatan. Sekiranya anda mengubah hala tuju tork, maka kenaikan beban akan mengakibatkan peningkatan kelajuan enjin. Walau bagaimanapun, adalah penting bahawa peningkatan berterusan dalam beban yang lancar memberikan perubahan yang lancar dan berterusan dalam kelajuan enjin yang sama. Kita boleh mengatakan bahawa pergantungan kelajuan putaran pada magnitud beban enjin adalah fungsi yang berterusan.

Keadaan ini sama sekali berbeza dengan enjin atom kuantum. Pertama, terdapat banyak nilai yang dilarang semasa momen kuasa luar di mana enjin kuantum tidak akan berfungsi - kelajuan "pembawa" akan menjadi sifar (kecuali, tentu saja, gerakan termal atom tidak dikecualikan). Kedua, dengan kenaikan nilai beban yang dibenarkan, kelajuan enjin berkelakuan dengan cara bukanmonotonik: peningkatan momen daya memimpin pertama kepada peningkatan "pembawa" kelajuan, kemudian penurunannya, dan kemudian kepada perubahan arah putaran atom dengan peningkatan serentak dalam gerakan gerakan.Secara umumnya, kebergantungan "pembawa" kelajuan pada nilai beban akan menjadi fungsi diskret, yang juga mempunyai sifat fraktal. Hartanah pecahan bermakna bahawa tingkah laku yang diterangkan di atas enjin atom kuantum akan diulang dalam pelbagai nilai beban yang kerap berkembang.

Artikel ini juga mencadangkan suatu skim untuk melaksanakan praktikal enjin atom kuantum ini. Untuk melakukan ini, anda boleh menggunakan atom "starter" yang tidak dicukai dan atom "pembawa" yang terionisasi (pilihan pertama), atau "starter" boleh menjadi zarah dengan spin sifar, dan "pembawa" boleh menjadi atom dengan spin bukan sifar (pilihan kedua). Dalam kes yang kedua, penulis mencadangkan menggunakan isotop ytterbium 174Yb dengan spin sifar (iaitu boson) dan isotop 171Yb dengan spin setengah integer (fermion) atau 87Rb, yang dikenali sebagai bahan untuk pemeluwapan Bose-Einstein pertama, dan fermion 6Li. Sebagai contoh, jika atom litium digunakan sebagai "pembawa", maka pemalar kisi optik untuk beberapa parameter enjin tambahan lain (khususnya, kedalaman telaga tenaga kisi optik dan jisim atom) harus 10 μm, dan kekerapan medan kawalan adalah kurang daripada 2 Hz. Dalam kes ini, enjin atom kuantum akan mencapai "puncak kuasa" (kelajuan "pembawa" menjadi malar) dalam 1 minit. Dengan pengurangan dalam tempoh pemisahan optik, peranti mencapai kuasa maksima selepas 10 saat.

Pengkaji telah berjaya menanggapi artikel yang diterbitkan oleh ahli teori Jerman. Mereka percaya bahawa meletakkan dua atom secara berasingan diambil ke dalam pelbagai optik anular secara teknis, mungkin, nyata, tetapi sangat sukar. Di samping itu, tidak jelas bagaimana untuk mengambil kerja yang berguna daripada enjin sedemikian. Jadi tidak diketahui sama ada projek enjin atom kuantum itu akan dilaksanakan atau sama ada ia akan kekal sebagai model yang indah di atas kertas oleh ahli teori.

Sumber: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Motor Kuantum Atom Dipandu / Phys. Wahyu Lett. 102, 230601 (2009).

Lihat juga: Motor Magnetik Minato