Πρώτος νανοηλεκτρικός κινητήρας

Οι γερμανοί θεωρητικοί από το Πανεπιστήμιο του Augsburg πρότειναν ένα πρωτότυπο μοντέλο ενός ηλεκτροκινητήρα που λειτουργεί με βάση τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Ένα ειδικά επιλεγμένο εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε δύο άτομα τοποθετημένα σε ένα δακτυλιοειδές οπτικό πλέγμα σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Ένα από τα άτομα, τα οποία οι επιστήμονες αποκαλούν "φορέα", αρχίζει να κινείται κατά μήκος του οπτικού πλέγματος και μετά από μια στιγμή φτάνει σε σταθερή ταχύτητα, το δεύτερο άτομο παίζει το ρόλο ενός "εκκινητή" - χάρη στην αλληλεπίδραση με αυτόν, ο "φορέας" ξεκινά την κίνησή του. Η όλη δομή ονομάζεται κβαντικός ατομικός κινητήρας.

Ο πρώτος ηλεκτρικός κινητήρας που λειτουργούσε σχεδιάστηκε και αποδείχθηκε το 1827 από τον ουγγρικό φυσικό Agnos Jedlic. Η βελτίωση των διαφόρων τεχνολογικών διαδικασιών οδηγεί στη μικρογράφηση διαφόρων συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των συσκευών για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ή της μαγνητικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Σχεδόν 200 χρόνια μετά τη δημιουργία του πρώτου ηλεκτροκινητήρα, τα μεγέθη τους έφθασαν στο κατώφλι του μικρομέτρου και μπήκαν στην περιοχή του νανομέτρου.

Ένα από τα πολλά έργα ηλεκτροκινητήρων μικρο / νανοκλίμακας προτάθηκε και εφαρμόστηκε από Αμερικανούς επιστήμονες το 2003 σε ένα άρθρο από περιστροφικούς ενεργοποιητές βασιζόμενους σε νανοσωλήνες άνθρακα, που δημοσιεύτηκε στο Nature.

Το Σχ. 1. Ατομικός κβαντικός κινητήρας. Δύο διαφορετικά άτομα υπερήχων (καφέ και μπλε μπάλες) βρίσκονται σε ένα δακτυλιοειδές οπτικό πλέγμα. Δείτε το κείμενο για λεπτομέρειες. Το Σχ. από το άρθρο που συζητείται στο Phys. Αναθ. Lett.

Το Σχ. 2. Σχηματική σχεδίαση ενός νανοηλεκτρικού κινητήρα. α. Η πλάκα μεταλλικού ρότορα (R) είναι τοποθετημένη σε ένα νανοσωλήνα άνθρακα με πολλά τοιχώματα. Ηλεκτρική επαφή με το επίπεδο του δρομέα γίνεται μέσω ενός νανοσωλήνα άνθρακα και αγκυρών (A1, A2). Τρία ηλεκτρόδια στάτη (S1, S2, S3) που βρίσκονται σε υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου SiO2 παίζουν το ρόλο των στοιχείων ελέγχου για την περιστροφή του δρομέα - τροφοδοτούνται με ηλεκτρική τάση ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. β. Εικόνα ηλεκτρικού κινητήρα που κατασκευάζεται με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Το μήκος της ράβδου κλίμακας είναι 300 nm. Το Σχ. από το αντικείμενο Περιστροφικοί ενεργοποιητές που βασίζονται σε νανοσωλήνες άνθρακα στη φύση

Σε έναν πολυσωματιδιακό νανοσωλήνα άνθρακα, υπάρχει ένα επίπεδο φύλλο μετάλλου R, το οποίο παίζει ρόλο ρότορα (σχήμα 2). Ο νανοσωλήνας είναι τοποθετημένος σε δύο ηλεκτρικά αγώγιμα άγκυρα Α1 και Α2. Ο ρότορας βρίσκεται ανάμεσα στα τρία ηλεκτρόδια - τους στάτους S1, S2 και S3. Με την εφαρμογή ειδικής τάσης στον δρομέα και σε τρεις στάτες, η διεύθυνση και η ταχύτητα περιστροφής της μεταλλικής πλάκας μπορούν να ελεγχθούν. Ο πολυσωματωμένος νανοσωλήνας άνθρακα σε αυτόν τον σχεδιασμό χρησιμεύει, πρώτον, ως ηλεκτρικός βραχυκυκλωτήρας για την παροχή ρεύματος στον ρότορα και, δεύτερον, ως μηχανική στερέωση του ρότορα.

Και πρόσφατα, θεωρητικοί φυσικοί από τη Γερμανία σε άρθρο του ac-Driven Atomic Quantum Motor, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, πρότεινε ένα μοντέλο κινητήρα που έχει διαστάσεις μικρομέτρου και εργάζεται στους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Ο κινητήρας αποτελείται από δύο αλληλεπιδρώντα σωματίδια - δύο άτομα τοποθετημένα σε ένα δακτυλιοειδές οπτικό πλέγμα και τοποθετημένα σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία (Εικόνα 1). Ένα οπτικό πλέγμα είναι μια παγίδα για τέτοια υπερφυσικά άτομα (με θερμοκρασίες της τάξης των milli ή microkelvins) που δημιουργούνται από παρεμβαλλόμενες ακτίνες λέιζερ.

Το πρώτο άτομο είναι ο "φορέας" (καφέ μπάλα στο σχήμα 1), το δεύτερο άτομο είναι το "μίζα" (μπλε μπάλα). Αρχικά, τα σωματίδια δεν είναι διεγερμένα και βρίσκονται στον πυθμένα του πηγαδιού ενέργειας του πλέγματος (στο επίπεδο με τη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή τιμή). Ένα εξωτερικό χρονικό μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (σήμα ελέγχου) εφαρμόζεται στο οπτικό πλέγμα, το οποίο επηρεάζει το "φορέα" και δεν επηρεάζει το "μίζα". Η εκκίνηση αυτής της μηχανής, ως αποτέλεσμα της οποίας ο "φορέας" αρχίζει την κυκλική κίνηση του στο οπτικό πλέγμα, εκτελείται μέσω της αλληλεπίδρασης με ένα άλλο σωματίδιο - το "μίζα".

Η παρουσία ενός "αρχικού" ατόμου σε μια τέτοια συσκευή είναι απαραίτητη για την πλήρη λειτουργία του κβαντικού κινητήρα.Εάν δεν υπήρχε δεύτερο σωματίδιο, το άτομο του φορέα δεν μπορούσε να ξεκινήσει την κατευθυνόμενη κίνηση του κατά μήκος του οπτικού πλέγματος. Δηλαδή, το καθήκον του ατόμου "εκκινητή" είναι να ξεκινήσει η εκκίνηση αυτής της μηχανής, για να την ξεκινήσει. Στην πραγματικότητα, εδώ προέρχεται το όνομα του δεύτερου σωματιδίου. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, ο "φορέας", ήδη υπό τη δράση ενός εναλλασσόμενου σήματος με τη μορφή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, φτάνει την μέγιστη ισχύ του - η ατομική ταχύτητα φτάνει στο μέγιστο και παραμένει σταθερή στο μέλλον.

Τώρα μερικά λόγια για τις συνθήκες για την αποτελεσματική λειτουργία ενός τέτοιου κβαντικού ατομικού κινητήρα. Η θεωρητική έρευνα από Γερμανούς επιστήμονες έδειξε ότι ένα εξωτερικό εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο θα πρέπει να αποτελείται από δύο αρμονικά συστατικά με δεδομένο εύρος και με κάποια μετατόπιση φάσης μεταξύ τους. Αυτή η αλλαγή φάσης μεταξύ των εξαρτημάτων παίζει βασικό ρόλο στον κινητήρα - σας επιτρέπει να ελέγχετε τον κινητήρα, δηλαδή να αλλάζετε την ταχύτητα και την κατεύθυνση της κίνησης του "φορέα". Εάν χρησιμοποιήθηκε ένα απλό αρμονικό σήμα και το μαγνητικό πεδίο άλλαξε με το χρόνο, για παράδειγμα, σύμφωνα με τον νόμο sine, τότε ο "φορέας" θα μπορούσε να μετακινηθεί εξίσου στο οπτικό πλέγμα δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα και θα ήταν αδύνατον να ελέγξει την κατεύθυνση και την ταχύτητα της κίνησης του. Στο σχ. Το σχήμα 3 δείχνει ένα γράφημα που αντιπροσωπεύει την ταχύτητα και την κατεύθυνση περιστροφής του "φορέα" ως συνάρτηση της διαφοράς φάσης των δύο αρμονικών, που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας διαφορετικές κβαντομηχανικές προσεγγίσεις.

Το Σχ. 3. Εξάρτηση της ταχύτητας κίνησης του ατόμου «φορέα» vc στη διαφορά φάσης των αρμονικών (συστατικών) και του μαγνητικού πεδίου ελέγχου, υπολογιζόμενη με δύο διαφορετικές κβαντομηχανικές μεθόδους (κόκκινη συμπαγής γραμμή και μαύρη διακεκομμένη γραμμή). Μία αρνητική τιμή ταχύτητας αντιστοιχεί σε διαφορετική φορά περιστροφής. Η ταχύτητα του φορέα μετράται σε μονάδες με κάποια χαρακτηριστική ταχύτητα v0. Το Σχ. από το άρθρο που συζητείται στο Phys. Αναθ. Lett.

Φαίνεται ότι η μέγιστη ταχύτητα "φορέα" θα παρατηρηθεί όταν η διαφορά φάσης είναι π / 2 και 3π / 4. Μια αρνητική τιμή της ταχύτητας σημαίνει ότι το άτομο ("φορέας") περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επιπλέον, ήταν δυνατόν να αποδειχθεί ότι η ταχύτητα του ατόμου "φορέα" θα φθάσει στη σταθερή του τιμή μόνο όταν ο αριθμός των κόμβων του οπτικού πλέγματος είναι μεγαλύτερος ή ίσος με 16 (βλέπε σχήμα 3, ο αριθμός των κόμβων είναι, κατά προσέγγιση ο αριθμός των βραχυκυκλωμάτων μεταξύ "Hills"). Έτσι, στο σχ. 3, η εξάρτηση της ταχύτητας "φορέα" στη διαφορά φάσης υπολογίζεται για 16 κόμβους του οπτικού πλέγματος.

Προκειμένου η συσκευή που περιγράφεται εδώ να ονομάζεται πλήρης κινητήρας, είναι ακόμα απαραίτητο να μάθετε πώς λειτουργεί υπό την επίδραση οποιουδήποτε φορτίου. Σε ένα συμβατικό κινητήρα, το μέγεθος του φορτίου μπορεί να περιγραφεί ως η στιγμή οποιωνδήποτε εξωτερικών δυνάμεων ή δυνάμεων. Η αύξηση του φορτίου οδηγεί σε μείωση της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα, με περαιτέρω αύξηση της ροπής δυνάμεων, ο κινητήρας μπορεί να αρχίσει να περιστρέφεται σε αυξανόμενη κατεύθυνση με αυξανόμενη ταχύτητα. Εάν αλλάξετε την κατεύθυνση εφαρμογής της ροπής, τότε η αύξηση του φορτίου θα οδηγήσει σε αύξηση των στροφών του κινητήρα. Σε κάθε περίπτωση, είναι σημαντικό η ομαλή και συνεχής αύξηση του φορτίου να δίνει την ίδια ομαλή και συνεχή αλλαγή στις στροφές του κινητήρα. Μπορούμε να πούμε ότι η εξάρτηση της ταχύτητας περιστροφής στο μέγεθος του φορτίου του κινητήρα είναι μια συνεχής λειτουργία.

Η κατάσταση είναι τελείως διαφορετική με έναν κβαντικό ατομικό κινητήρα. Πρώτον, υπάρχουν πολλές απαγορευμένες τιμές της στιγμής των εξωτερικών δυνάμεων στις οποίες ο κβαντικός κινητήρας δεν θα λειτουργήσει - η ταχύτητα του "φορέα" θα είναι μηδέν (εκτός αν φυσικά αποκλείεται η θερμική κίνηση του ατόμου). Δεύτερον, με την αύξηση των επιτρεπόμενων τιμών φορτίου, οι ταχύτητες του κινητήρα συμπεριφέρονται με μη μονότονο τρόπο: η αύξηση της ροπής των δυνάμεων οδηγεί πρώτα στην αύξηση της ταχύτητας "φορέα", στη μείωση και στην αλλαγή της κατεύθυνσης περιστροφής του ατόμου με ταυτόχρονη αύξηση της ταχύτητας κίνησης.Σε γενικές γραμμές, η εξάρτηση της ταχύτητας "φορέα" στην τιμή φορτίου θα είναι μια διακριτή συνάρτηση, η οποία επίσης έχει φράκταλ ιδιότητες. Η ιδιότητα fractality σημαίνει ότι η παραπάνω περιγραφόμενη συμπεριφορά ενός κβαντικού ατομικού κινητήρα θα επαναληφθεί σε ένα εύρος τιμών φορτίου που αυξάνεται τακτικά.

Το άρθρο προτείνει επίσης ένα διάγραμμα της πρακτικής εφαρμογής αυτής της κβαντικής ατομικής μηχανής. Για να γίνει αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα αφόρτιστο άτομο "εκκίνησης" και ένα ιονισμένο άτομο "φορέα" (πρώτη επιλογή) ή ένα "μίζα" μπορεί να είναι ένα σωματίδιο με μηδενική περιστροφή και ένας "φορέας" μπορεί να είναι ένα άτομο με μη μηδενική περιστροφή (δεύτερη επιλογή). Στην τελευταία περίπτωση, οι συγγραφείς προτείνουν να χρησιμοποιηθούν ισότοπα ytterbium 174Yb με μηδενική περιστροφή (δηλαδή το μποζόνιο) και το ισότοπό του 171Yb με στροφορμή ημίσεος-ακέραιος (fermion) ή 87Rb, γνωστό ως υλικό για την πρώτη συμπύκνωση Bose-Einstein και το fermión 6Li. Παραδείγματος χάριν, εάν ένα άτομο λιθίου χρησιμοποιείται ως «φορέας», τότε η οπτική σταθερά πλέγματος για ορισμένες άλλες πρόσθετες παραμέτρους του κινητήρα (ειδικότερα το βάθος του ενεργειακού φρέατος του οπτικού πλέγματος και η μάζα των ατόμων) θα πρέπει να είναι 10 μm και η συχνότητα του πεδίου ελέγχου είναι μικρότερη από 2 Ηζ. Σε αυτή την περίπτωση, ο κβαντικός ατομικός κινητήρας θα φτάσει στην "κορυφή της ισχύος" (η ταχύτητα του "φορέα" θα γίνει σταθερή) σε 1 λεπτό. Με μείωση της περιόδου του οπτικού πλέγματος, η συσκευή φτάνει τη μέγιστη ισχύ της μετά από 10 δευτερόλεπτα.

Οι εμπειρογνώμονες έχουν ήδη καταφέρει να απαντήσουν σε ένα δημοσιευμένο άρθρο από γερμανούς θεωρητικούς. Πιστεύουν ότι η τοποθέτηση δύο χωριστά ληφθέντων ατόμων σε μια τέτοια δακτυλιοειδή οπτική διάταξη είναι τεχνικά, ίσως, πραγματική, αλλά πολύ δύσκολη. Επιπλέον, δεν είναι σαφές πώς να εξαγάγετε χρήσιμη εργασία από μια τέτοια μηχανή. Έτσι δεν είναι γνωστό εάν θα υλοποιηθεί το έργο ενός τέτοιου κβαντικού ατομικού κινητήρα ή αν θα παραμείνει ένα όμορφο μοντέλο σε χαρτί από τους θεωρητικούς.

Πηγή: Α. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-Driven Atomic Quantum Motor // Phys. Αναθ. Lett. 102, 230601 (2009).

Δείτε επίσης: Minato Magnetic Motor