Volkswagen – від «атомних» двигунів до атомарним

Німецьким фізикам вдалося перетворити одиничний іон кальцію в двигун атомарного розміру. Як і всі двигуни, що він перетворює теплову енергію в кінетичну, але при цьому одночасно виконує і функцію робочого тіла. У ролі охолоджувача виступає лазерний промінь, а флуктуації електричного поля діють як джерело енергії.

У 1959 році Річард Фейнман припустив, що одиничний атом можна перетворити в тепловий двигун, використовуючи його гармонічні коливання як квантовий еквівалент механічної роботи. Більш ніж півстоліття ця концепція залишалася суто теоретичною. Складно було не лише навчитися керувати коливаннями окремого атома, але і провести необхідні вимірювання, доводять успішну реалізацію ідеї.

Частина лабораторної установки для створення одноатомного двигуна. Вакуумна камера з іонною пасткою розташована по центру (фото: AG QUANTUM).

У квітневому номері журналу Science була опублікована стаття, в якій дослідники з Інституту квантової оптики товариства Макса Планка, університету Майнца, університету Касселя і Ерлангенского університету знайшли спосіб вирішити обидві проблеми.

Вони перетворили нейтральний атом кальцію в заряджений іон, який помістили в квадрупольную іонну пастку, а потім стали періодично змінювати напругу на її електродах.

Звичні двигуни макросвіту перетворюють теплову енергію в механічну роботу, але використовують для цього безліч частинок. Одноатомний двигун працює за принципом «все в одному». На першому такті робочого циклу під дією зовнішнього електричного поля потенційна енергія замкненого в пастці іона збільшується, і він трохи зміщується в осьовому напрямку. На другому такті він охолоджується лазерним променем, втрачає енергію і повертається назад, після чого цикл повторюється.

Фрагмент оптичної системи лазерного охолоджувача (фото: Johannes Ro?nagel et al.).

Використовуючи циклічні зміни електричного поля і постійне охолодження лазером з довжиною хвилі 397 нм, дослідникам вдалося змусити іон здійснювати періодичні коливання. Потужність одноатомного двигуна склала 3,4 × 10-22 Вт. За результатами непрямих вимірювань отриманий ККД склав всього 0,28%, однак тут куди важливіше демонстрація самого принципу.

Перевірити, що іон кальцію дійсно працює як атомарний двигун, вдалося за допомогою вимірювань амплітуди його коливань. Для цього фізики записали серію флуоресцентних знімків за допомогою надшвидкої камери ICCD (Intensified Charged Couple Device) з витримкою всього в 700 нс.

Потенційна сфера застосування одноатомних двигунів досить велика. Їх можна використовувати в наноконструировании, як одноионные холодильники або теплові насоси, оскільки процес може бути інвертований. Однак найбільш імовірним зараз представляється використання не стільки самого «двигуна», скільки описаної методики його створення для вивчення квантових ефектів термодинаміки.

Цікава і закулісна частина цієї наукової роботи. Вражаюче досягнення об’єднаної команди фізиків було виконано на кошти для проекту «Атомний наноассемблер», що фінансується фондом “Volkswagen”. У німецькому автоконцерні давно розробляють способи подальшого зниження робочої температури двигунів і покладають великі надії на дослідження термодинамічних квантових ефектів. В теорії їх використання дозволить вийти за рамки існуючих обмежень і не просто підвищити ККД звичайних двигунів, але і створити принципово нові.


Андрій Васильків, Комп’ютерра

Загрузка...
Актуальные комментарии и обсуждения новостей