Primul motor nanoelectric

Teoreticienii germani de la Universitatea din Augsburg au propus un model original de motor electric care funcționează conform legilor mecanicii cuantice. Un câmp magnetic alternativ extern ales special este aplicat pe doi atomi așezați într-o grilă optică în formă de inel, la o temperatură foarte scăzută. Unul dintre atomii, pe care oamenii de știință l-au numit „purtător”, începe să se miște de-a lungul zăbrelei optice și după un timp atinge viteză constantă, cel de-al doilea atom joacă rolul de „starter” - datorită interacțiunii cu acesta, „purtătorul” își începe mișcarea. Întreaga structură se numește motor atomic cuantic.

Primul motor electric de lucru a fost proiectat și demonstrat în 1827 de fizicianul maghiar Agnos Jedlic. Îmbunătățirea diverselor procese tehnologice conduce la miniaturizarea diferitelor dispozitive, inclusiv dispozitive pentru transformarea energiei electrice sau magnetice în energie mecanică. La aproape 200 de ani de la crearea primului motor electric, dimensiunile lor au atins pragul micrometrului și au pășit în regiunea nanometrului.

Unul dintre numeroasele proiecte de motoare electrice micro / nano-scală a fost propus și implementat de oamenii de știință americani în 2003 într-un articol de actuatoare rotative bazat pe nanotuburi de carbon, publicat în Nature.

Fig. 1. Motor cuantic atomic. Doi atomi ultracold diferiți (bile maro și albastru) se află într-o rețea optică inelară. Consultați textul pentru detalii. Fig. din articolul în discuție în Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Trasarea schematică a unui motor nanoelectric. a. Placa rotorului metalic (R) este montată pe un nanotub de carbon cu mai mulți pereți. Contactul electric cu planul rotorului se face printr-un nanotub de carbon și ancore (A1, A2). Trei electrozi statorici (S1, S2, S3) localizați pe un substrat de SiO2 cu oxid de siliciu joacă rolul elementelor de control pentru rotația rotorului - sunt alimentate cu tensiune electrică independent unul de celălalt. b. Imaginea unui motor electric realizat cu ajutorul unui microscop electronic de scanare. Lungimea barei de scară este de 300 nm. Fig. din articolul actuatoare rotative pe bază de nanotuburi de carbon din natură

Pe un nanotub de carbon cu mai mulți pereți, există o foaie plată de metal R, care joacă rolul unui rotor (Fig. 2). Nanotubul este montat pe două ancore conductoare electric A1 și A2. Rotorul este situat între cei trei electrozi - statorii S1, S2 și S3. Prin aplicarea unei tensiuni speciale rotorului și a trei statori, se poate controla direcția și viteza de rotație a plăcii metalice. Nanotubul de carbon cu mai mulți pereți din acest proiect servește, în primul rând, ca un jumper electric pentru a alimenta curentul rotorului și, în al doilea rând, ca fixare mecanică a rotorului.

Și recent, fizicienii teoretici din Germania într-un articol de ac-Driven Atomic Quantum Motor, publicat în revista Physical Review Letters, a propus un model al unui motor care are dimensiuni de micrometru și funcționează pe legile mecanicii cuantice. Motorul este format din două particule care interacționează - doi atomi localizați într-o grilă optică inelară și localizați la o temperatură foarte scăzută (Fig. 1). O grilă optică este o capcană pentru astfel de atomi ultracold (cu temperaturi de ordinul mili sau microkelvine) create prin interferențe cu fascicule laser.

Primul atom este „purtătorul” (bilă brună din fig. 1), al doilea atom este „starter” (bilă albastră). Inițial, particulele nu sunt excitate și sunt situate în partea de jos a puțului de energie a zăbrelei (la nivelul cu cea mai mică valoare de energie posibilă). Un rețel magnetic care variază în timp extern (semnal de control) este aplicat pe rețeaua optică, care afectează „purtătorul” și nu afectează „demarorul”. Pornirea acestui motor, ca urmare a faptului că „purtătorul” își începe mișcarea circulară în zăpada optică, se realizează prin interacțiunea cu o altă particulă - „starter”.

Prezența unui atom de „starter” într-un astfel de dispozitiv este necesară pentru funcționarea completă a motorului cuantic.Dacă nu exista o a doua particulă, atomul purtător nu ar putea începe mișcarea direcționată de-a lungul zăbrelei optice. Adică sarcina atomului „starter” este să inițieze pornirea acestui motor, să-i dea startul. De fapt, de aici provine numele celei de-a doua particule. După ceva timp, „purtătorul”, aflat deja sub acțiunea unui semnal alternativ sub forma unui câmp magnetic extern, atinge puterea maximă - viteza atomică atinge maximul și rămâne constantă în viitor.

Acum câteva cuvinte despre condițiile pentru funcționarea eficientă a unui astfel de motor atomic cuantic. Cercetările teoretice ale oamenilor de știință germani au arătat că un câmp magnetic alternativ extern ar trebui să fie format din două componente armonice cu amplitudini date și cu o oarecare schimbare de fază între ele. Această schimbare de fază între componente joacă un rol cheie în motor - vă permite să controlați motorul, adică să schimbați viteza și direcția de mișcare a „purtătorului”. Dacă s-a utilizat un semnal armonic simplu și s-ar schimba câmpul magnetic în timp, de exemplu, conform legii sinusoidale, atunci „purtătorul” s-ar putea mișca în egală măsură în zăpada optică în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic și ar fi imposibil de controlat direcția și viteza mișcării sale. În fig. Figura 3 prezintă un grafic care reprezintă viteza și direcția de rotație a „purtătorului” ca funcție a diferenței de fază a celor două armonice, calculată folosind abordări cuantico-mecanice diferite.

Fig. 3. Dependența vitezei de mișcare a atomului „purtător” vc de diferența de fază a armonicelor (componentelor) și a câmpului magnetic de control, calculată prin două metode cuantice-mecanice diferite (linia solidă roșie și linia neagră punctată). O valoare de viteză negativă corespunde unei direcții de rotație diferite. Viteza purtătorului se măsoară în unități cu o viteză caracteristică v0. Fig. din articolul în discuție în Phys. Rev. Lett.

Se vede că viteza maximă de „purtător” va fi observată atunci când diferența de fază este π / 2 și 3π / 4. O valoare negativă a vitezei înseamnă că atomul („purtător”) se rotește în direcția opusă. În plus, a fost posibil să se stabilească că viteza atomului „purtător” va atinge valoarea sa constantă doar atunci când numărul de noduri ale zăbrelei optice este mai mare sau egal cu 16 (vezi Fig. 3, numărul de noduri este, aproximativ, numărul de salturi între "dealuri"). Deci, în fig. 3, dependența vitezei „purtătorului” de diferența de fază este calculată pentru 16 noduri ale zăbrelei optice.

Pentru ca dispozitivul descris aici să poată fi numit motor cu putere completă, este încă necesar să aflăm cum funcționează sub influența oricărei sarcini. Într-un motor convențional, mărimea încărcăturii poate fi descrisă ca moment al oricărei forțe sau forțe externe. O creștere a sarcinii duce la o scădere a vitezei de rotație a motorului, cu o creștere suplimentară a momentului forțelor, motorul poate începe să se rotească în direcția crescândă cu viteza crescândă. Dacă schimbați direcția de aplicare a cuplului, atunci o creștere a sarcinii va duce la o creștere a turației motorului. În orice caz, este important ca o creștere continuă continuă a încărcăturii să ofere aceeași schimbare lină și continuă a turației motorului. Putem spune că dependența vitezei de rotație de mărimea sarcinii motorului este o funcție continuă.

Situația este complet diferită cu un motor atomic cuantic. În primul rând, există multe valori interzise ale momentului forțelor externe la care motorul cuantic nu va funcționa - viteza „purtătorului” va fi zero (cu excepția cazului, desigur, mișcarea termică a atomului). În al doilea rând, cu o creștere a valorilor de sarcină permise, turația motorului se comportă într-o manieră nonmonotonică: o creștere a momentului forțelor duce mai întâi la o creștere a vitezei „purtătoare”, apoi la scăderea acesteia, apoi la o schimbare a direcției de rotație a atomului cu o creștere simultană a vitezei de mișcare.În general, dependența vitezei „purtătorului” de valoarea sarcinii va fi o funcție discretă, care are și proprietăți fractale. Proprietatea fractalității înseamnă că comportamentul descris mai sus al unui motor atomic cuantic va fi repetat într-o gamă extinsă de valori ale sarcinii.

Articolul propune, de asemenea, o schemă pentru implementarea practică a acestui motor atomic cuantic. Pentru a face acest lucru, puteți utiliza un atom „de pornire” neîncărcat și un atom de „purtător” ionizat (prima opțiune), sau un „starter” poate fi o particulă cu centrifugare zero, iar un „purtător” poate fi un atom cu un spin fără zero (a doua opțiune). În ultimul caz, autorii propun să folosească izotopii de ytterbium 174Yb cu centrifugare zero (adică bosonul) și izotopul său de 171Yb cu spin rotund (fermion) sau 87Rb, cunoscut ca materialul pentru prima condensare Bose-Einstein și fermionul 6Li. De exemplu, dacă un atom de litiu este utilizat ca "purtător", atunci constanta de zăpadă optică pentru unii alți parametri ai motorului (în special, adâncimea putului de energie a grilajului optic și masa atomilor) ar trebui să fie de 10 μm, iar frecvența câmpului de control este mai mică de 2 Hz. În acest caz, motorul atomic cuantic va atinge „vârful puterii” (viteza „purtătorului” devine constantă) în 1 minut. Cu o scădere a perioadei de grătare optică, dispozitivul atinge puterea maximă după 10 secunde.

Experimentatorii au reușit deja să răspundă la un articol publicat de teoreticieni germani. Ei cred că introducerea a doi atomi luați separat într-un astfel de tablou optic inelar este, probabil, reală, dar foarte dificilă. În plus, nu este clar cum se poate extrage lucrul util dintr-un astfel de motor. Deci nu se știe dacă proiectul unui astfel de motor atomic cuantic va fi implementat sau dacă va rămâne un model frumos pe hârtie de către teoreticieni.

Sursa: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Motor cuantic atomic condus prin ac / fiz. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Vezi și: Motor magnetic Minato