První nanoelektrický motor

Němečtí teoretici z University of Augsburg navrhli originální model elektrického motoru pracujícího na zákonech kvantové mechaniky. Speciálně vybrané vnější střídavé magnetické pole se aplikuje na dva atomy umístěné v kruhové optické mříži při velmi nízké teplotě. Jeden z atomů, který vědci nazývají „nosič“, se začíná pohybovat po optické mřížce a po chvíli dosáhne konstantní rychlosti, druhý atom hraje roli „startéru“ - díky interakci s ním „nosič“ začíná svůj pohyb. Celá struktura se nazývá kvantový atomový motor.

První funkční elektromotor byl navržen a předveden v roce 1827 maďarským fyzikem Agnosem Jedlicem. Zlepšení různých technologických procesů vede k miniaturizaci různých zařízení, včetně zařízení pro přeměnu elektrické nebo magnetické energie na mechanickou energii. Téměř 200 let po vytvoření prvního elektromotoru dosáhly jejich velikosti mikrometrového prahu a vstoupily do oblasti nanometrů.

Jeden z mnoha projektů elektrických motorů na mikro / nanoměry byl navržen a realizován americkými vědci v roce 2003 v článku rotačních pohonů založených na uhlíkových nanotrubičkách, publikovaném v časopisu Nature.

Obr. 1. Atomový kvantový motor. V prstencovité optické mříži jsou dva různé ultrakodické atomy (hnědé a modré kuličky). Podrobnosti najdete v textu. Obr. z diskutovaného článku v Phys. Rev. Lett.

Obr. 2. Schematický nákres nanoelektrického motoru. a. Kovová rotorová deska (R) je namontována na vícestěnné uhlíkové nanotrubici. Elektrický kontakt s rovinou rotoru je přes uhlíkovou nanotrubičku a kotvy (A1, A2). Tři statorové elektrody (S1, S2, S3) umístěné na substrátu oxidu křemičitého SiO2 hrají roli ovládacích prvků rotace rotoru - jsou napájeny nezávisle na sobě elektrickým napětím. b. Obrázek elektrického motoru vyrobeného pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Délka měřítka je 300 nm. Obr. z článku Rotační pohony na bázi uhlíkových nanotrubic v přírodě

Na vícestěnné uhlíkové nanotrubici je plochý plech z kovu R, který hraje roli rotoru (obr. 2). Nanotrubice je namontována na dvou elektricky vodivých kotvách A1 a A2. Rotor je umístěn mezi třemi elektrodami - statory S1, S2 a S3. Použitím speciálního napětí na rotor a tři statory lze řídit směr a rychlost otáčení kovové desky. Mnohostěnná uhlíková nanotrubice v tomto provedení slouží jednak jako elektrický můstek pro přivádění proudu do rotoru, a jednak jako mechanické upevnění rotoru.

A nedávno teoretičtí fyzici z Německa v článku ac-Driven Atomic Quantum Motor, publikovaném v časopise Physical Review Letters, navrhli model mikrometrového motoru, který pracuje na zákonech kvantové mechaniky. Motor se skládá ze dvou vzájemně se ovlivňujících částic - dvou atomů umístěných v prstencovité optické mříži a umístěných při velmi nízké teplotě (obr. 1). Optická mříž je past pro takové ultracold atomy (s teplotami řádově mili nebo microkelvins) vytvořený rušivými laserovými paprsky.

První atom je „nosič“ (hnědá koule na obr. 1), druhý atom je „startér“ (modrá koule). Zpočátku nejsou částice excitovány a jsou umístěny na dně energetické jamky mříže (na úrovni s nejnižší možnou energetickou hodnotou). Na optické mřížky je aplikováno externí magnetické pole s proměnlivým časem (řídicí signál), které ovlivňuje „nosnou“ a neovlivňuje „spouštěč“. Start tohoto motoru, v důsledku kterého „nosič“ začíná svůj kruhový pohyb v optické mřížce, se provádí interakcí s jinou částicí - „startérem“.

Přítomnost „startovacího“ atomu v takovém zařízení je nezbytná pro plný provoz kvantového motoru.Pokud by neexistovala žádná druhá částice, atom nosiče nemohl zahájit svůj směrovaný pohyb podél optické mřížky. To znamená, že úkolem atomu „startéru“ je zahájit start tohoto motoru, dát mu start. Ve skutečnosti právě odtud pochází název druhé částice. Po určité době „nosič“, již pod vlivem střídavého signálu ve formě vnějšího magnetického pole, dosáhne svého maximálního výkonu - rychlost atomu dosáhne svého maxima a zůstává v budoucnu konstantní.

Nyní pár slov o podmínkách pro efektivní provoz takového kvantového atomového motoru. Teoretický výzkum německých vědců ukázal, že vnější proměnné magnetické pole by se mělo skládat ze dvou harmonických složek s danými amplitudami as určitým fázovým posunem mezi nimi. Tento fázový posun mezi součástmi hraje v motoru klíčovou roli - umožňuje vám ovládat motor, tj. Měnit rychlost a směr pohybu „nosiče“. Pokud by byl použit jednoduchý harmonický signál a změnilo by se magnetické pole v čase, například podle sinusového zákona, pak by se „nosič“ mohl pohybovat v optické mřížce po směru nebo proti směru hodinových ručiček a nebylo by možné řídit směr a rychlost jeho pohybu. Na obr. Obrázek 3 ukazuje graf představující rychlost a směr otáčení „nosiče“ v závislosti na fázovém rozdílu dvou harmonických, vypočtených pomocí různých kvantově-mechanických přístupů.

Obr. 3. Závislost rychlosti pohybu „nosného“ atomu vc na fázovém rozdílu harmonických (složek) a regulačního magnetického pole, vypočtená dvěma různými kvantově-mechanickými metodami (červená plná čára a černá přerušovaná čára). Záporná hodnota rychlosti odpovídá jinému směru otáčení. Rychlost nosiče se měří v jednotkách určité charakteristické rychlosti v0. Obr. z diskutovaného článku v Phys. Rev. Lett.

Je vidět, že maximální „nosná“ rychlost bude pozorována, když je fázový rozdíl π / 2 a 3π / 4. Záporná hodnota rychlosti znamená, že atom ("nosič") se otáčí v opačném směru. Kromě toho bylo možné stanovit, že rychlost „nosného“ atomu dosáhne své konstantní hodnoty, pouze pokud je počet uzlů optické mřížky větší nebo roven 16 (viz obr. 3, počet uzlů je zhruba řečeno počet propojek mezi "Hills"). Na obr. 3 je závislost „nosné“ rychlosti na fázovém rozdílu vypočtena pro 16 uzlů optické mřížky.

Aby zde popsané zařízení mohlo být nazváno plnohodnotným motorem, je nutné zjistit, jak to funguje pod vlivem jakéhokoli zatížení. V běžném motoru lze velikost zatížení popsat jako okamžik vnějších sil nebo sil. Zvýšení zátěže vede ke snížení rychlosti otáčení motoru, s dalším zvýšením momentu síly může motor začít rotovat ve zvyšujícím se směru se zvyšující se rychlostí. Pokud změníte směr použití točivého momentu, pak zvýšení zatížení povede ke zvýšení otáček motoru. V každém případě je důležité, aby plynulé plynulé zvyšování zátěže poskytovalo stejnou hladkou a plynulou změnu otáček motoru. Můžeme říci, že závislost rychlosti otáčení na velikosti zatížení motoru je spojitá funkce.

U kvantového atomového motoru je situace úplně jiná. Za prvé, existuje mnoho zakázaných hodnot okamžiku vnějších sil, při kterých nebude kvantový motor fungovat - rychlost „nosiče“ bude nulová (pokud ovšem není vyloučen tepelný pohyb atomu). Zadruhé, se zvýšením přípustných hodnot zatížení se otáčky motoru chovají nemonotonickým způsobem: zvýšení momentu vede nejprve ke zvýšení „nosné“ rychlosti, pak k jejímu snížení a poté ke změně směru otáčení atomu se současným zvýšením rychlosti pohybu.Obecně řečeno bude závislost rychlosti „nosiče“ na velikosti zátěže diskrétní funkcí, která má také fraktální vlastnosti. Vlastnost fraktality znamená, že výše popsané chování kvantového atomového motoru se bude opakovat v pravidelně se rozšiřujícím rozsahu hodnot zatížení.

Článek také navrhuje schéma praktické implementace tohoto kvantového atomového motoru. K tomu můžete použít nenabitý „startovací“ atom a ionizovaný „atom“ atomu (první možnost), nebo „startér“ může být částice s nulovým spinem a „nosič“ může být atom s nenulovým spinem (druhá možnost). Ve druhém případě autoři navrhují použití izotopů ytterbium 174Yb s nulovým spinem (tj. Boson) a jeho izotopu 171Yb s polovinovým spinem (fermion) nebo 87Rb, známý jako materiál pro první kondenzaci Bose-Einstein a 6Li fermion. Například, pokud je atom lithia použit jako „nosič“, pak by měla být optická mřížková konstanta pro některé další dodatečné parametry motoru (zejména hloubka energetické jímky optické mřížky a hmotnost atomů) 10 μm a frekvence ovládacího pole je menší než 2 Hz. V tomto případě kvantový atomový motor dosáhne „špičkového výkonu“ (rychlost „nosiče“ se ustálí) za 1 minutu. Se snížením doby optické mřížky dosáhne zařízení maximálního výkonu po 10 sekundách.

Experimentátorům se již podařilo odpovědět na publikovaný článek německých teoretiků. Věří, že vložení dvou oddělených atomů do takového prstencového optického pole je technicky, možná skutečné, ale velmi obtížné. Kromě toho není jasné, jak extrahovat užitečné práce z takového motoru. Není tedy známo, zda bude projekt takového kvantového atomového motoru realizován nebo zda zůstane krásným modelem na papíře teoretiků.

Zdroj: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-Driven Atomic Quantum Motor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Viz také: Magnetický motor Minato