Prvi nanoelektrični motor

Njemački teoretičari sa Sveučilišta u Augsburgu predložili su originalni model elektromotora koji djeluje na zakonima kvantne mehanike. Posebno odabrano vanjsko izmjenično magnetsko polje primjenjuje se na dva atoma smještena u prstenastu optičku rešetku na vrlo niskoj temperaturi. Jedan od atoma, koji su znanstvenici nazvali "nosač", počinje se kretati duž optičke rešetke i nakon nekog vremena postiže konstantnu brzinu, drugi atom igra ulogu "startera" - zahvaljujući interakciji s njim, "nosač" započinje svoje kretanje. Čitava se struktura naziva kvantnim atomskim motorom.

Prvi radni električni motor dizajnirao je i demonstrirao 1827. mađarski fizičar Agnos Jedlic. Poboljšanje različitih tehnoloških procesa dovodi do minijaturizacije različitih uređaja, uključujući uređaje za pretvaranje električne ili magnetske energije u mehaničku. Gotovo 200 godina nakon stvaranja prvog elektromotora, njihove su veličine dosegle prag mikrometra i zakoračile u područje nanometra.

Jedan od mnogih projekata elektromotornih mikro / nanočestica predložili su i proveli američki znanstvenici 2003. godine u članku rotacijskih pokretača temeljenom na ugljikovim nanocijevima, objavljenom u časopisu Nature.

Sl. 1. Atomski kvantni motor. Dva različita ultrahladna atoma (smeđe i plave kuglice) nalaze se u prstenastoj optičkoj rešetki. Pojedinosti potražite u tekstu. Sl. iz članka o kojem se raspravlja u Phys. Rev. Leti.

Sl. 2. Shematski crtež nanoelektričnog motora. a. Metalna ploča rotora (R) montirana je na višezidnu ugljičnu nanocjevčicu. Električni kontakt na ravnini rotora odvija se preko ugljikove nanocjevčice i sidra (A1, A2). Tri elektrode statora (S1, S2, S3) smještene na podlozi silikonskog oksida SiO2 igraju ulogu upravljačkih elemenata za zakretanje rotora - opskrbljuju se električnim naponom neovisno jedna o drugoj. b. Slika elektromotora izrađena pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa. Duljina trake skale je 300 nm. Sl. iz članka Rotacijski aktuatori temeljeni na ugljikovim nanocijevima u Natureu

Na više-zidanoj ugljičnoj nanocjevčici nalazi se ravni metalni lim R koji igra ulogu rotora (Sl. 2). Nanocjevčica je montirana na dva električno provodljiva sidra A1 i A2. Rotor je smješten između tri elektrode - statora S1, S2 i S3. Primjenom posebnog napona na rotor i tri statora mogu se kontrolirati smjer i brzina vrtnje metalne ploče. Višeslojna ugljikova nanocjevčica u ovom dizajnu služi, prvo, kao električni skakač za dovod struje u rotor, i drugo, kao mehaničko pričvršćivanje rotora.

Nedavno su teorijski fizičari iz Njemačke u članku AC-Driven Atomic Quantum Motor, objavljenom u časopisu Physical Review Letters, predložili model motora koji ima mikrometrske dimenzije i djeluje na zakone kvantne mehanike. Motor se sastoji od dvije interaktivne čestice - dva atoma smještenih u prstenastoj optičkoj rešetki i smještenih na vrlo niskoj temperaturi (Sl. 1). Optička rešetka je zamka za takve ultrahladne atome (s temperaturama reda mil ili mikrokelvina) stvorena interferiranjem laserskih zraka.

Prvi atom je "nosač" (smeđa kugla na slici 1), drugi atom je "starter" (plava kugla). U početku se čestice ne uzbuđuju i nalaze se na dnu energetskog otvora rešetke (na razini s najnižom mogućom energetskom vrijednošću). Na optičku rešetku primjenjuje se vanjsko magnetsko polje s promjenom vremena (upravljački signal), koje utječe na "nosač" i ne utječe na "pokretač". Pokretanje ovog motora, zbog čega „nosač“ počinje kružno kretanje u optičkoj rešetki, odvija se kroz interakciju s drugom česticom - „startorom“.

Prisutnost atoma „startera“ u takvom je uređaju nužna za potpuno djelovanje kvantnog motora.Ako nije bilo druge čestice, atom nosača ne bi mogao započeti svoje usmjereno gibanje duž optičke rešetke. Odnosno, atom "startera" je da pokrene pokretanje ovog motora i pokrene ga. Zapravo odatle potječe i naziv druge čestice. Nakon nekog vremena, "nosač", već pod djelovanjem naizmjeničnog signala u obliku vanjskog magnetskog polja, dostiže svoju vrhunsku snagu - atomska brzina doseže svoj maksimum i ostaje konstantna u budućnosti.

Sada nekoliko riječi o uvjetima za učinkovit rad takvog kvantnog atomskog motora. Teorijska istraživanja njemačkih znanstvenika pokazala su da se vanjsko naizmjenično magnetsko polje treba sastojati od dvije harmoničke komponente s danim amplitudama i s pomakom faze između njih. Ovaj fazni pomak između komponenata igra ključnu ulogu u motoru - omogućava vam upravljanje motorom, odnosno promjenu brzine i smjera kretanja "nosača". Ako bi se koristio jednostavan harmonični signal i magnetsko polje promijenilo u vremenu, na primjer, prema sinusnom zakonu, tada bi se "nosač" mogao jednako kretati u optičkoj rešetki u smjeru kazaljke na satu, ili bi bilo nemoguće kontrolirati smjer i brzinu njegovog kretanja. U fig. Slika 3 prikazuje grafikon koji prikazuje brzinu i smjer vrtnje „nosača“ kao funkciju fazne razlike dviju harmonika, izračunatih pomoću različitih kvantno-mehaničkih pristupa.

Sl. 3. Ovisnost brzine pokreta „nosača“ atoma vc o faznoj razlici harmonika (komponenata) i kontrolnog magnetskog polja, izračunatoj pomoću dvije različite kvantno-mehaničke metode (crvena puna i crna crta). Negativna vrijednost brzine odgovara različitom smjeru vrtnje. Brzina nosača mjeri se u jedinicama neke karakteristične brzine v0. Sl. iz članka o kojem se raspravlja u Phys. Rev. Leti.

Vidljivo je da će se najveća brzina "nosača" primijetiti kad je fazna razlika π / 2 i 3π / 4. Negativna vrijednost brzine znači da se atom ("nosač") okreće u suprotnom smjeru. Pored toga, bilo je moguće utvrditi da će brzina "nosača" atoma dostići svoju konstantnu vrijednost samo kad je broj čvorova optičke rešetke veći ili jednak 16 (vidi Sliku 3, broj čvorova je, otprilike, broj skakača između "brda"). Dakle, na fig. 3, izračunava se ovisnost brzine "nosača" o razlici faza za 16 čvorova optičke rešetke.

Da bi se opisani uređaj nazvao punim motorom, morate saznati kako to djeluje pod utjecajem bilo kojeg opterećenja. U konvencionalnom motoru, veličina opterećenja može se opisati kao trenutak bilo kakvih vanjskih sila ili sila. Povećanje opterećenja dovodi do smanjenja brzine vrtnje motora, s daljnjim porastom momenta sile, motor se može početi okretati u sve većem smjeru s povećanjem brzine. Ako promijenite smjer primjene zakretnog momenta, tada će povećanje opterećenja dovesti do porasta broja okretaja motora. U svakom slučaju, važno je da ravnomjerno neprekidno povećavanje opterećenja daje jednako glatko i kontinuirano mijenjanje broja okretaja motora. Možemo reći da je ovisnost brzine vrtnje od veličine opterećenja motora kontinuirana funkcija.

Situacija je potpuno drugačija s kvantnim atomskim motorom. Prvo, postoje mnoge zabranjene vrijednosti trenutka vanjskih sila pri kojima kvantni motor neće raditi - brzina „nosača“ bit će jednaka nuli (osim, naravno, ako nije isključeno toplinsko kretanje atoma). Drugo, s povećanjem dopuštenih vrijednosti opterećenja, brzina motora se ponaša nemonotonski: porast momenta sile dovodi prvo do povećanja brzine "nosača", zatim do njegovog smanjenja, a zatim do promjene smjera rotacije atoma, uz istodobno povećanje brzine kretanja.Općenito govoreći, ovisnost brzine "nosača" o veličini opterećenja bit će diskretna funkcija s fraktalnim svojstvima. Svojstvo fraktalnosti znači da će se gore opisano ponašanje kvantnog atomskog motora ponoviti u redovito rastućem rasponu vrijednosti opterećenja.

U članku je također predložen dijagram praktične primjene ovog kvantnog atomskog motora. Da biste to učinili, možete upotrijebiti neispunjeni "starter" atom i ionizirani "nosač" atom (prva opcija), ili "pokretač" može biti čestica s nultim okretajem, a "nosač" može biti atom s nultom centrifugom (druga opcija). U potonjem slučaju, autori predlažu upotrebu izotopa iterbiju 174Yb s nultim spinovima (tj. Bozon) i njegovog izotopa od 171Yb s polovinom cijelog spina (fermion) ili 87Rb, poznatog kao materijal za prvu Bose-Einsteinovu kondenzaciju i 6Li fermiona. Na primjer, ako se litijev atom koristi kao "nosač", tada će konstanta optičke rešetke za neke druge dodatne parametre motora (posebno, dubina energetske jažice optičke rešetke i masa atoma) biti 10 µm, a frekvencija kontrolnog polja manja od 2 Hz. U tom će slučaju kvantni atomski motor dostići "vrhunac snage" (brzina "nosača" postaje konstantna) za 1 minutu. S smanjenjem razdoblja optičke rešetke, uređaj postiže svoju najveću snagu nakon 10 sekundi.

Eksperimenti su već uspjeli odgovoriti na objavljeni članak njemačkih teoretičara. Oni vjeruju da je stavljanje dva odvojena atoma u takav prstenasti optički niz tehnički, možda, stvarno, ali vrlo teško. Osim toga, nejasno je kako iz takvog motora izdvojiti koristan rad. Dakle, nije poznato hoće li projekt takvog kvantnog atomskog motora biti proveden ili će on ostati lijep model na papiru teoretičara.

Izvor: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Atomski kvantni motor navođen ac / // Phys. Rev. Leti. 102, 230601 (2009).

Vidi također: Minato magnetski motor