Први наноелектрични мотор

Немачки теоретичари са Универзитета у Аугсбургу предложили су оригинални модел електромотора који делује на законима квантне механике. Посебно одабрано спољно наизменично магнетно поље примењује се на два атома смештена у оптичку решетку у облику прстена на врло ниској температури. Један од атома, који су научници назвали "носач", почиње да се креће дуж оптичке решетке и након неког времена достигне константну брзину, други атом игра улогу "стартера" - захваљујући интеракцији са њим, "носач" почиње са кретањем. Цела се структура назива квантним атомским мотором.

Први радни електромотор дизајнирао је и демонстрирао 1827. године мађарски физичар Агнос Једлиц. Побољшање различитих технолошких процеса доводи до минијатуризације различитих уређаја, укључујући уређаје за претварање електричне или магнетне енергије у механичку. Скоро 200 година од стварања првог електромотора, њихове величине су достигле праг микрометра и ушле у област нанометра.

Један од многих пројеката електромоторних микро / наночестица предложени су и имплементирани од стране америчких научника 2003. године у чланку ротационих покретача заснованом на угљен-наноцевкама, објављеном у часопису Натуре.

Сл. 1. Атомски квантни мотор. Два различита ултрахладна атома (смеђе и плаве куглице) налазе се у прстенастој оптичкој решетки. Детаље потражите у тексту. Сл. из чланка о којем се расправља у Пхис. Рев. Летт.

Сл. 2. Схематски цртеж наноелектричног мотора. а. Метална плоча ротора (Р) монтирана је на вишестенску угљеничну наноцевку. Електрични контакт с равнином ротора врши се преко угљеничне наноцјевчице и сидра (А1, А2). Три електроде статора (С1, С2, С3) смјештене на подлози силиконског оксида СиО2 играју улогу управљачких елемената за окретање ротора - опскрбљују се електричним напоном независно једна од друге. б. Слика електромотора направљена помоћу скенирајућег електронског микроскопа. Дужина скале је 300 нм. Сл. из чланка Ротациони покретачи засновани на угљен-наноцевкама у Натуре-у

На угљеничној наноцеви са више зида налази се равни метални лим Р који игра улогу ротора (Сл. 2). Наноцјевчица је монтирана на два електро проводљива сидра А1 и А2. Ротор се налази између три електроде - статора С1, С2 и С3. Применом посебног напона на ротору и три статора могуће је контролисати смер и брзину ротације металне плоче. Вишеслојна угљенична наноцјевчица у овом дизајну служи, прво, као електрични скакач за довод струје у ротор, и друго, као механичко причвршћивање ротора.

А недавно су теоријски физичари из Немачке у чланку покретаног атомског квантног мотора, објављеном у часопису Пхисицал Ревиев Леттерс, предложили модел мотора микрометра који делује на законима квантне механике. Мотор се састоји од две интерактивне честице - два атома смјештених у прстенастој оптичкој решетки и смјештених на врло ниској температури (Сл. 1). Оптичка решетка је замка за такве ултрахладне атоме (са температурама реда мил или микрокелвина) створена интерферирањем ласерских зрака.

Први атом је "носач" (смеђа кугла на слици 1), други атом је "стартер" (плава кугла). У почетку честице нису узбуђене и налазе се на дну решетке енергетске мреже (на нивоу са најнижом могућом енергетском вредношћу). На оптичку решетку се примењује спољно магнетно поље у зависности од времена (контролни сигнал), које утиче на „носач“ и не утиче на „покретач“. Покретање овог мотора, услед чега „носач“ почиње кружно кретање у оптичкој решетки, врши се интеракцијом са другом честицом - „стартором“.

Присуство атома „стартера“ у таквом уређају је неопходно за потпуно функционисање квантног мотора.Ако није било друге честице, атом носача не би могао започети своје усмерено кретање дуж оптичке решетке. То јест, задатак атома „стартера“ је да покрене покретање овог мотора и да га покрене. Заправо, одатле и долази име друге честице. Након неког времена, „носач“, већ под дејством наизменичног сигнала у облику спољног магнетног поља, достиже своју врхунску снагу - брзина атома достиже свој максимум и остаје константна у будућности.

Сада неколико речи о условима за ефикасан рад таквог квантног атомског мотора. Теоријско истраживање немачких научника показало је да би се спољно променљиво магнетно поље требало састојати од две хармоничне компоненте са датим амплитудама и са помаком фазе између њих. Овај фазни помак између компоненти игра кључну улогу у мотору - омогућава вам контролу мотора, односно промену брзине и смера кретања „носача“. Ако би се користио једноставан хармонични сигнал, а магнетно поље се временом мењало, на пример, према синусном закону, тада би се „носач“ могао подједнако кретати у оптичкој решетки у смеру кретања казаљке на сату, и било би немогуће контролисати смер и брзину његовог кретања. У фиг. Слика 3 приказује графикон који приказује брзину и смјер ротације „носача“ као функцију фазне разлике двију хармоника, израчунатих помоћу различитих квантно-механичких приступа.

Сл. 3. Зависност брзине кретања атома носача вц од фазне разлике између хармоника (компонената) и контролног магнетног поља, израчуната помоћу две различите квантно-механичке методе (црвена пуна линија и црна испрекидана линија). Негативна вредност брзине одговара различитом правцу ротације. Брзина носача мери се у јединицама неке карактеристичне брзине в0. Сл. из чланка о којем се расправља у Пхис. Рев. Летт.

Видљиво је да ће се највећа брзина „носача“ посматрати када је фазна разлика π / 2 и 3π / 4. Негативна вредност брзине значи да се атом ("носач") ротира у супротном смеру. Поред тога, било је могуће утврдити да ће брзина атома „носача“ достићи своју константну вредност само када је број чворова оптичке решетке већи или једнак 16 (види Слику 3, број чворова је, отприлике, број скакача између "Брда"). Дакле, на слици. 3, израчунава се зависност брзине „носача“ од фазне разлике за 16 чворова оптичке решетке.

Да би се овде описани уређај звао пуним мотором, још увек је неопходно да се открије како делује под утицајем било ког оптерећења. У конвенционалном мотору, величина оптерећења може се описати као тренутак било каквих спољних сила или сила. Повећање оптерећења доводи до смањења брзине ротације мотора, с даљим повећањем момента силе, мотор може почети да се окреће у све већем правцу са повећањем брзина. Ако промените смер примене обртног момента, тада повећање оптерећења доводи до повећања броја обртаја мотора. У сваком случају, важно је да лагано непрекидно повећавање оптерећења даје исту глатку и континуирану промену брзина мотора. Можемо рећи да је зависност брзине ротације од величине оптерећења мотора континуирана функција.

С квантним атомским мотором ситуација је потпуно другачија. Прво, постоје многе забрањене вредности момента спољних сила при којима квантни мотор неће радити - брзина „носача“ ће бити једнака нули (осим ако, наравно, није искључено топлотно кретање атома). Друго, с повећањем дозвољених вредности оптерећења, брзина мотора се понаша немонотонски: пораст момента силе доводи прво до повећања брзине „носача“, затим до његовог смањења, а затим до промене правца ротације атома, уз истовремено повећање брзине кретања.Генерално посматрано, зависност брзине „носача“ од вредности оптерећења биће дискретна функција, која такође има фрактална својства. Својство фракталности значи да ће се горе описано понашање квантног атомског мотора понављати у редовно растућем распону вриједности оптерећења.

У чланку је такође предложена шема за практично спровођење овог квантног атомског мотора. Да бисте то учинили, можете користити неиспрањени атом „стартера“ и јонизовани атом „носача“ (прва опција), или „стартер“ може бити честица са нултим спиновима, а „носач“ може бити атом са нултом центрифугом (друга опција). У последњем случају, аутори предлажу употребу изотопа итербијума 174Иб са нултим спиновима (тј. Бозона) и његовог изотопа од 171Иб са половином целог спина (фермиона) или 87Рб, познатог као материјал за прву Босе-Ајнштајнову кондензацију и 6Ли фермиона. На пример, ако се атом литијума користи као „носач“, тада ће константа оптичке решетке за неке друге додатне параметре мотора (нарочито дубина енергетског лежишта оптичке решетке и маса атома) бити 10 µм, а фреквенција контролног поља мања од 2 Хз. У овом случају, квантни атомски мотор ће достићи „врхунац снаге“ (брзина „носача“ постаје константна) за 1 минуту. Са смањењем периода оптичке решетке, уређај достиже максималну снагу након 10 секунди.

Експерименталисти су већ успели да одговоре на објављени чланак немачких теоретичара. Они верују да је стављање два одвојена атома у такав прстенасти оптички низ технички, можда, стварно, али веома тешко. Поред тога, нејасно је како из таквог мотора издвојити користан рад. Дакле, није познато да ли ће пројекат таквог квантног атомског мотора бити спроведен или ће он остати леп модел на папиру теоретичара.

Извор: А. В. Пономарев, С. Денисов, П. Хангги. Атомски квантни мотор навођен ац / // Пхис. Рев. Летт. 102, 230601 (2009).

Погледајте такође: Минато магнетни мотор