Ensimmäinen nanoelektrinen moottori

Saksalaiset teoreetikot Augsburgin yliopistosta ovat ehdottaneet alkuperäistä sähkömoottorin mallia, joka toimii kvanttimekaniikan laeilla. Erityisesti valittu ulkoinen vuorotteleva magneettikenttä kohdistetaan kahteen atomiin, jotka on sijoitettu renkaan muotoiseen optiseen hilaan erittäin alhaisessa lämpötilassa. Yksi atomista, jota tutkijat kutsuivat “kantajaksi”, alkaa liikkua optista hilaa pitkin ja saavuttaa jonkin ajan kuluttua vakionopeuden, toinen atomi on “käynnistimen” rooli - vuorovaikutuksen ansiosta “kantaja” alkaa liikkua. Koko rakennetta kutsutaan kvantiatomimoottoriksi.

Ensimmäisen toimivan sähkömoottorin suunnitteli ja esitti vuonna 1827 unkarilainen fyysikko Agnos Jedlic. Eri teknologisten prosessien parantaminen johtaa erilaisten laitteiden, mukaan lukien laitteet, jotka muuntavat sähkö- tai magneettienergian mekaaniseksi energiaksi, miniatyroitumiseen. Lähes 200 vuotta ensimmäisen sähkömoottorin luomisen jälkeen niiden koko saavutti mikrometrikynnyksen ja astui nanometrialueelle.

Amerikkalaiset tutkijat ehdottivat ja toteuttivat yhden monista mikro / nanomittakaavoisista sähkömoottoriprojekteista vuonna 2003 hiilen nanoputkiin perustuvilla pyörimistoimilaitteilla, jotka julkaistiin Nature-julkaisussa.

Kuva 1. Atominen kvantimoottori. Kaksi erilaista ultrakaareista atomia (ruskeat ja siniset pallot) ovat rengasmaisessa optisessa hilassa. Katso lisätietoja tekstistä. Kuva artikkelissa, jota käsitellään Phys. Rev. Lett.

Kuva 2. Kaaviokuva nanoelektrisestä moottorista. a. Metallinen roottorilevy (R) on asennettu moniseinäiseen hiilinanoputkeen. Sähköinen kosketus roottorin tasoon tapahtuu hiilinanoputken ja ankkurien (A1, A2) kautta. Kolme staattorielektrodia (S1, S2, S3), jotka sijaitsevat piioksidis SiO2-substraatilla, pelaavat roottorin pyörimisen ohjauselementtejä - niille syötetään sähköjännite toisistaan ​​riippumatta. b. Kuva pyyhkäisyelektronimikroskoopilla valmistetusta sähkömoottorista. Asteikon palkin pituus on 300 nm. Kuva artikkelista Luonnon hiilinanoputkiin perustuvat pyörivät toimilaitteet

Moniseinäisissä hiilinanoputkissa on litteä metallilevy R, jolla on roottorin rooli (kuva 2). Nanoputki on asennettu kahteen sähköä johtavaan ankkuriin A1 ja A2. Roottori sijaitsee kolmen elektrodin - staattoreiden S1, S2 ja S3 - välissä. Levittämällä erityistä jännitettä roottoriin ja kolmeen staattoriin, metallilevyn pyörimissuuntaa ja -nopeutta voidaan säätää. Tässä rakenteessa oleva moniseinäinen hiilinanoputki toimii ensinnäkin sähköisenä hyppääjänä virran syöttämiseksi roottorille ja toiseksi roottorin mekaanisena kiinnityksenä.

Ja äskettäin saksalaiset teoreettiset fyysikot tekivät ac-Driven Atomic Quantum Motor -artikkelissa, joka julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä, ja ehdotti mallia moottorista, jolla on mikrometrin mitat ja joka toimii kvanttimekaniikan lakien mukaisesti. Moottori koostuu kahdesta vuorovaikutuksessa olevasta hiukkasesta - kahdesta atomista, jotka sijaitsevat rengasmaisessa optisessa hilassa ja sijaitsevat erittäin matalassa lämpötilassa (kuva 1). Optinen hila on ansa tällaisille ultrakaareille atomille (joiden lämpötilat ovat luokkaa milli- tai mikrokelviinejä), jotka ovat luoneet häiritsevistä lasersäteistä.

Ensimmäinen atomi on “kantaja” (ruskea pallo kuvassa 1), toinen atomi on “käynnistin” (sininen pallo). Alun perin hiukkaset eivät ole kiihtyneitä ja sijaitsevat hilan energiakaivon alaosassa (tasolla, jolla on alhaisin mahdollinen energia-arvo). Optiseen ritilään kohdistetaan ulkoinen aikavaihteleva magneettikenttä (ohjaussignaali), mikä vaikuttaa ”kantajaan” eikä ”käynnistimeen”. Tämän moottorin käynnistys, jonka seurauksena “kantolaite” aloittaa ympyräliikkeensä optisessa hilassa, tapahtuu vuorovaikutuksessa toisen hiukkasen - “käynnistimen” kanssa.

”Käynnistysatomin” läsnäolo tällaisessa laitteessa on välttämätöntä kvantimoottorin täyden toiminnan kannalta.Jos toista hiukkasta ei ollut, kantajaatomi ei voinut aloittaa suunnattua liiketään optista hilaa pitkin. Toisin sanoen “käynnistysatomin” tehtävänä on käynnistää tämän moottorin käynnistys, antaa se käynnistys. Itse asiassa tästä tulee toisen hiukkasen nimi. Jonkin ajan kuluttua, "kantoaalto", jo muuttuvan signaalin vaikutuksesta ulkoisen magneettikentän muodossa, saavuttaa huipputehonsa - atomin nopeus saavuttaa maksimiarvonsa ja pysyy vakiona tulevaisuudessa.

Nyt muutama sana tällaisen kvantiatomimoottorin tehokkaan toiminnan ehdoista. Saksalaisten tutkijoiden teoreettinen tutkimus osoitti, että ulkoisen muuttuvan magneettikentän tulisi koostua kahdesta harmonisesta komponentista, joilla on annetut amplitudit ja joiden välillä vaihesiirto. Tällä vaihesiirrolla komponenttien välillä on avainasemassa moottorissa - sen avulla voit ohjata moottoria, ts. Muuttaa "kantoaallon" nopeutta ja liikesuuntaa. Jos käytettäisiin yksinkertaista harmonista signaalia ja magneettikenttä muuttuisi ajassa esimerkiksi sinilain mukaan, niin ”kantoaalto” voisi liikkua optisessa hilassa myötäpäivään tai vastapäivään, ja sen liikkeen suuntaa ja nopeutta olisi mahdotonta hallita. Kuvassa 1 Kuvio 3 esittää kuvaajan, joka edustaa “kantoaallon” nopeutta ja pyörimissuuntaa kahden harmonisen vaihe-eron funktiona laskettuna käyttämällä erilaisia ​​kvantmekaanisia lähestymistapoja.

Kuva 3. "Kantaja" -atomin vc liikkeenopeuden riippuvuus harmonisten (komponenttien) vaihe-erosta ja ohjausmagneettisesta kentästä laskettuna kahdella eri kvantmekaanisella menetelmällä (punainen kiinteä viiva ja musta katkoviiva). Negatiivinen nopeusarvo vastaa erilaista pyörimissuuntaa. Kannattimen nopeus mitataan jonkin ominaisnopeuden v0 yksiköinä. Kuva artikkelissa, jota käsitellään Phys. Rev. Lett.

Nähdään, että suurin ”kantoaalto” nopeus tarkkaillaan, kun vaihe-ero on π / 2 ja 3π / 4. Nopeuden negatiivinen arvo tarkoittaa, että atomi ("kantaja") pyörii vastakkaiseen suuntaan. Lisäksi oli mahdollista todeta, että “kantoaalto” atomin nopeus saavuttaa vakioarvonsa vain silloin, kun optisen hilan solmujen lukumäärä on suurempi tai yhtä suuri kuin 16 (katso kuvio 3, solmujen lukumäärä on karkeasti ottaen hyppääjien lukumäärä välillä "mäkiä"). Joten, kuvassa Kuviossa 3 lasketaan "kantoaalto" nopeuden riippuvuus vaihe-erosta 16 optisen hilan solmulle.

Jotta tässä kuvattua laitetta voidaan kutsua täysimittaiseksi moottoriksi, sinun on silti selvitettävä, miten se toimii minkä tahansa kuorman vaikutuksen alaisena. Tavanomaisessa moottorissa kuorman suuruutta voidaan kuvata ulkoisten voimien tai voimien ajankohtana. Kuormituksen lisääntyminen johtaa moottorin pyörimisnopeuden laskuun, ja voimien momentin lisääntyessä moottori voi alkaa pyöriä kasvavaan suuntaan nopeuden kasvaessa. Jos muutat vääntömomentin kohdistussuuntaa, niin kuorman lisäys johtaa moottorin kierrosnopeuden kasvuun. Joka tapauksessa on tärkeää, että tasainen jatkuva kuormituksen lisäys antaa saman sujuvan ja jatkuvan muutoksen moottorin nopeudessa. Voimme sanoa, että pyörimisnopeuden riippuvuus moottorin kuorman suuruudesta on jatkuva toiminto.

Kvantiatomisella moottorilla tilanne on täysin erilainen. Ensinnäkin on monia kiellettyjä ulkoisten voimien momentin arvoja, joilla kvantimoottori ei toimi - ”kantoaallon” nopeus on nolla (ellei tietysti ole kyse atomin lämpöliikkeestä). Toiseksi, kun sallittuja kuorma-arvoja lisätään, moottorin nopeus käyttäytyy ei-monotonisella tavalla: voimien momentin lisääntyminen johtaa ensin “kantoaallonopeuden” lisääntymiseen, sitten sen pienenemiseen ja sitten atomin pyörimissuunnan muutokseen samanaikaisesti liikkeenopeuden lisääntyessä.Yleisesti ottaen "kantoaallon" nopeuden riippuvuus kuormitusarvosta on erillinen funktio, jolla on myös fraktaaliominaisuudet. Fraktaalisuusominaisuus tarkoittaa, että edellä kuvattu kvantiatomimoottorin käyttäytyminen toistuu säännöllisesti kasvavilla kuorma-arvoalueilla.

Artikkelissa ehdotetaan myös järjestelmää tämän kvantiatomimoottorin käytännön toteuttamiseksi. Tätä varten voit käyttää lataamatonta “käynnistys” -atomia ja ionisoitua “kantaja-atomia” (ensimmäinen vaihtoehto) tai “käynnistin” voi olla hiukkas, jolla ei ole nollaa spinää, ja “kantaja” voi olla atomi, jolla ei ole nolla-spinää (toinen vaihtoehto). Jälkimmäisessä tapauksessa kirjoittajat ehdottavat ytterbium 174Yb -isotooppien, joissa ei ole nolla-spinää (ts. Bosonia), ja sen 171Yb-isotoopin, jossa on puoliterävä spin (fermion) tai 87Rb, joka tunnetaan ensimmäisen Bose-Einstein -kondensaation materiaalina, ja 6Li-fermionin käyttöä. Esimerkiksi, jos "kantajana" käytetään litiumatomia, silloin joidenkin muiden moottorin lisäparametrien (erityisesti optisen hilan energiakaivon syvyyden ja atomien massan) optisen hilavakion tulisi olla 10 μm, ja ohjauskentän taajuus on alle 2 Hz. Tässä tapauksessa kvantiatomimoottori saavuttaa ”tehon huipun” (“kantajan” nopeudesta tulee vakio) minuutissa. Vähentyessä optisen ritilän ajanjaksoa, laite saavuttaa maksimitehonsa 10 sekunnin kuluttua.

Kokeilijat ovat jo onnistuneet vastaamaan saksalaisten tutkijoiden julkaisemaan artikkeliin. He uskovat, että kahden erikseen otetun atomin sijoittaminen sellaiseen rengasmaiseen optiseen ryhmään on teknisesti, ehkä, todellinen, mutta erittäin vaikea. Lisäksi on epäselvää, kuinka hyödyllistä työtä saadaan sellaisesta moottorista. Joten ei tiedetä, toteutetaanko tällaisen kvantiatomimoottorin projekti vai pysyykö se teoreetikkojen kauniina paperimuotona.

Lähde: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-ajettu atomikvanttimoottori // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Katso myös: Minato-magneettimoottori