Fizik Membina Enjin Tiny Super Dikuasakan oleh Atom Kalsium Tunggal

Fizik telah membangunkan sebuah enjin yang tidak dapat dilihat dengan mata kasar.

Dalam makalah yang diterbitkan hari ini dalam jurnal Sains, pasukan penyelidikan dari University of Mainz dan University of Kassel di Jerman mencipta sistem elektromagnetik yang menangkap satu atom kalsium-40 yang mengikat dan membuatnya tenaga, seperti tenaga wap-lokomotif dan enjin kereta. Dan kerana keadaan mekanik kuantum enjin kecil ini, ahli fizik percaya bahawa sistem berfungsi pada tahap yang sama dan bahkan lebih berkesan daripada enjin kereta purata.

"Terdapat banyak penjelasan teoritis dan penyiasatan dalam sifat kuantum enjin sejak lewat 50-an," penyelidik utama dan ahli fizik eksperimen di Universiti Mainz, Johannes Roßnagel memberitahu Songsang. "Kami telah menunjukkan bahawa ini mungkin."

Roßnagel dan pasukannya memulakan projek itu empat tahun yang lalu apabila mereka ingin meneroka kesan kuantum dalam termodinamik, dan fikir cara terbaik untuk bereksperimen adalah untuk mencipta enjin. Mereka terpaksa membina segala-galanya dari awal dengan anggaran kecil beberapa ratus euro, katanya. Mereka terpaksa membina elektronik peribadi dan sistem yang dapat mengawal ion pada tahap yang sangat tepat. Ia membawa mereka satu tahun sahaja untuk membangunkan teknik untuk mendapatkan pengukuran suhu - kaedah umum terlalu lambat atau tidak tepat untuk enjin mereka.

Apa yang mereka hadapi adalah perangkap ion lapan milimeter dan empat milimeter dalam diameter dengan plat emas dan elektrod yang mengasingkan atom kalsium tunggal (tetapi mana-mana atom yang dikenakan boleh melakukan pekerjaan itu) di dalam medan elektromagnet. Dua laser menunjuk pada hujung perangkap, satu pemanasan atom dan yang lain menyejukkannya. Ini turun naik dalam suhu memacu ion untuk mewujudkan ayunan harmonik yang semakin meningkat - seperti gelombang bunyi. Idea yang sama seperti enjin termal yang lebih besar yang bergantung pada gas atau cecair untuk menjana kerja mekanikal, kecuali dalam kes ini terdapat hanya satu zarah, Roßnagel menjelaskan.

Sedangkan enjin satu atom hanya dapat menghasilkan 10-22 watt, tetapi sebenarnya sebanding dengan enjin kereta, kata Roßnagel. Jika anda mengira jumlah tenaga zarah gas individu dalam enjin kereta purata, kuasa motor berada dalam urutan magnitud yang sama daripada enjin satu atom.

"Ini sangat mengejutkan kami," kata Roßnagel. "Ini bermakna apabila anda membuat skala seperti sistem ke zarah tunggal, ia masih berfungsi pada tahap yang sama seperti enjin makroskopik."

Beliau dan rakan-rakannya percaya tahap kecekapan ini disebabkan oleh kesan kuantum, sifat unik yang hanya dapat dihasilkan melalui atom dan zarah tunggal. Roßnagel menerangkan bahawa kesan kuantum termodinamik akan menjadikannya enjin tidak perlu bergantung kepada suhu sebagai sumber tenaga tunggal, dan bahawa sifat kuantum enjin satu atom mempunyai potensi untuk menjana tenaga lebih daripada enjin termal. Walau bagaimanapun, ahli fizik luar tidak begitu pasti.

"Saya tidak akan menerima kecekapan ini hanya dari 'kelemahan mekanik kuantum,'" Hartmut Häffner, seorang ahli fizik teori di University of California, Berkeley, yang tidak terlibat dalam eksperimen itu, memberitahu pada tahun 2014 apabila Roßnagel menulis kertas cadangan mengenai enjin. Häffner menambah bahawa enjin satu atom yang berpotensi itu sendiri "sangat menarik dan digambarkan dengan baik. Ia cuba untuk menolak sempadan apa yang kita tahu mengenai termodinamik ke dalam rejim baru."

Enjin tunggal atom Roßnagel dan pasukannya dibina adalah enjin terkecil yang dia tahu wujud hari ini. Namun, ada kemungkinan untuk mencipta lebih kecil lagi dengan satu elektron, tetapi dia tidak percaya ada minat untuk mengejarnya. "Kami mempunyai zarah tunggal yang berjalan di enjin, dan sama ada ini adalah kalsium atom atau elektron, dari sudut penyelidikan kami, ia tidak membuat perbezaan."

Seterusnya, Roßnagel mahu membina peti sejuk kecil dengan teknologi. Dengan memutarkan kitaran termodinamik, enjin satu atom akan berjalan seperti peti sejuk, dia menjelaskan. Sistem mereka menjana perbezaan suhu, mewujudkan satu sisi yang dipanaskan dan satu sisi yang disejukkan - seperti peralatan penyimpanan makanan kami. Dalam masa yang akan datang, dia juga dapat melihat enjin nanoscale ini meningkatkan cip dan transistor atom tunggal.

"Haba yang dihasilkan semasa operasi adalah masalah yang sangat besar untuk industri cip. Saya fikir ada sistem penyejukan tambahan di tangan akan sangat membantu, "katanya.

Tidak kira apa sebenarnya yang keluar dari enjin satu atom awal mereka, Roßnagel percaya "ini akan menemui beberapa aplikasi yang lebih besar beberapa hari."