Eerste nano-elektrische motor

Duitse theoretici van de universiteit van Augsburg hebben een origineel model van een elektromotor voorgesteld die werkt op basis van de wetten van de kwantummechanica. Een speciaal geselecteerd extern wisselend magnetisch veld wordt op twee atomen geplaatst in een ringvormig optisch rooster bij een zeer lage temperatuur. Een van de atomen, die wetenschappers de "drager" noemden, begint langs het optische rooster te bewegen en na een tijdje bereikt het tweede atoom de rol van een "starter" - dankzij de interactie ermee begint de "drager" zijn beweging. De hele structuur wordt een kwantumatoommotor genoemd.

De eerste werkende elektromotor werd in 1827 ontworpen en gedemonstreerd door de Hongaarse fysicus Agnos Jedlic. De verbetering van verschillende technologische processen leidt tot de miniaturisatie van verschillende apparaten, waaronder apparaten voor het omzetten van elektrische of magnetische energie in mechanische energie. Bijna 200 jaar na de oprichting van de eerste elektromotor bereikten hun afmetingen de drempel van de micrometer en stapten in het nanometergebied.

Een van de vele elektromotorische projecten op micro- / nanoschaal werd in 2003 voorgesteld en geïmplementeerd door Amerikaanse wetenschappers in een artikel van Rotational actuators op basis van koolstofnanobuisjes, gepubliceerd in Nature.

Fig. 1. Atomaire kwantummotor. Twee verschillende ultrakoude atomen (bruine en blauwe ballen) bevinden zich in een ringvormig optisch rooster. Zie de tekst voor details. Fig. uit het besproken artikel in Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Schematische tekening van een nano-elektrische motor. a. De metalen rotorplaat (R) is gemonteerd op een meerwandige koolstof nanobuis. Elektrisch contact met het rotorvlak verloopt via een koolstofnanobuis en ankers (A1, A2). Drie statorelektroden (S1, S2, S3) op een siliciumoxide SiO2-substraat spelen de rol van bedieningselementen voor de rotatie van de rotor - ze worden onafhankelijk van elkaar van elektrische spanning voorzien. b. Afbeelding van een elektrische motor gemaakt met behulp van een scanning elektronenmicroscoop. De lengte van de schaalbalk is 300 nm. Fig. uit het artikel Rotation actuators based on carbon nanotubes in Nature

Op een meerwandige koolstofnanobuis bevindt zich een vlakke metalen plaat R, die de rol van rotor speelt (fig. 2). De nanobuis is gemonteerd op twee elektrisch geleidende ankers Al en A2. De rotor bevindt zich tussen de drie elektroden - de stators S1, S2 en S3. Door een speciale spanning op de rotor en drie stators aan te leggen, kunnen de draairichting en snelheid van de metalen plaat worden geregeld. De meerwandige koolstofnanobuis in dit ontwerp dient ten eerste als een elektrische jumper om stroom aan de rotor te leveren en ten tweede als een mechanische bevestiging van de rotor.

En onlangs stelden theoretische fysici uit Duitsland in een artikel van ac-Driven Atomic Quantum Motor, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, een model voor van een motor ter grootte van een micrometer die werkt op de wetten van de kwantummechanica. De motor bestaat uit twee op elkaar inwerkende deeltjes - twee atomen die zich in een ringvormig optisch rooster bevinden en die zich op een zeer lage temperatuur bevinden (afb. 1). Een optisch rooster is een val voor dergelijke ultrakoude atomen (met temperaturen in de orde van milli of microkelvins) gecreëerd door interfererende laserstralen.

Het eerste atoom is de "drager" (bruine bal in figuur 1), het tweede atoom is de "starter" (blauwe bal). Aanvankelijk worden de deeltjes niet geëxciteerd en bevinden ze zich onderaan de energiebron van het rooster (op het niveau met de laagst mogelijke energiewaarde). Een extern in de tijd variërend magnetisch veld (stuursignaal) wordt aangelegd op het optische rooster, dat de "drager" beïnvloedt en de "starter" niet beïnvloedt. Het starten van deze motor, waardoor de 'drager' zijn cirkelvormige beweging in het optische rooster begint, wordt uitgevoerd door interactie met een ander deeltje - de 'starter'.

De aanwezigheid van een "starter" -atoom in een dergelijk apparaat is noodzakelijk voor de volledige werking van de kwantummotor.Als er geen tweede deeltje was, kon het drageratoom zijn gerichte beweging langs het optische rooster niet beginnen. Dat wil zeggen, de taak van het 'startatoom' is om de start van deze motor te starten, om hem een ​​start te geven. Eigenlijk is dit waar de naam van het tweede deeltje vandaan komt. Na enige tijd bereikt de "drager", reeds onder invloed van een wisselend signaal in de vorm van een extern magnetisch veld, zijn piekvermogen - de atomaire snelheid bereikt zijn maximum en blijft in de toekomst constant.

Nu een paar woorden over de voorwaarden voor de effectieve werking van een dergelijke kwantumatoommotor. Theoretisch onderzoek door Duitse wetenschappers heeft aangetoond dat een extern wisselend magnetisch veld uit twee harmonische componenten moet bestaan ​​met gegeven amplitudes en met enige faseverschuiving daartussen. Deze faseverschuiving tussen de componenten speelt een belangrijke rol in de motor - hiermee kunt u de motor besturen, dat wil zeggen de snelheid en de bewegingsrichting van de "drager" veranderen. Als een eenvoudig harmonisch signaal zou worden gebruikt en het magnetische veld in de tijd zou veranderen, bijvoorbeeld volgens de sinuswet, dan zou de "drager" evengoed in het optische rooster met de klok mee of tegen de klok in kunnen bewegen, en het zou onmogelijk zijn om de richting en snelheid van zijn beweging te regelen. In fig. Figuur 3 toont een grafiek die de snelheid en draairichting van de "drager" weergeeft als een functie van het faseverschil van de twee harmonischen, berekend met behulp van verschillende kwantummechanische benaderingen.

Fig. 3. Afhankelijkheid van de bewegingssnelheid van het "drager" -atoom vc van het faseverschil van harmonischen (componenten) en het magnetische besturingsveld, berekend met twee verschillende kwantummechanische methoden (rode ononderbroken lijn en zwarte stippellijn). Een negatieve snelheidswaarde komt overeen met een andere draairichting. De snelheid van de drager wordt gemeten in eenheden van enige karakteristieke snelheid v0. Fig. uit het besproken artikel in Phys. Rev. Lett.

Het is te zien dat de maximale "dragersnelheid" zal worden waargenomen wanneer het faseverschil π / 2 en 3π / 4 is. Een negatieve waarde voor snelheid betekent dat het atoom ("drager") in de tegenovergestelde richting draait. Bovendien was het mogelijk om vast te stellen dat de snelheid van het "drager" -atoom alleen zijn constante waarde zal bereiken wanneer het aantal knooppunten van het optische rooster groter is dan of gelijk aan 16 (zie figuur 3, het aantal knooppunten is grofweg het aantal jumpers tussen "heuvels"). Dus in fig. 3 wordt de afhankelijkheid van de "dragersnelheid" van het faseverschil berekend voor 16 knopen van het optische rooster.

Om het hier beschreven apparaat een volwaardige motor te kunnen noemen, is het nog steeds noodzakelijk om uit te zoeken hoe het werkt onder invloed van elke belasting. In een conventionele motor kan de grootte van de belasting worden beschreven als het moment van eventuele externe krachten of krachten. Een toename van de belasting leidt tot een afname van de rotatiesnelheid van de motor, met een verdere toename van het moment van krachten, kan de motor in toenemende richting beginnen te roteren met toenemende snelheid. Als u de richting van de toepassing van het koppel verandert, zal een toename van de belasting leiden tot een toename van het motortoerental. In elk geval is het belangrijk dat een soepele continue toename van de belasting dezelfde soepele en continue verandering van het motortoerental geeft. We kunnen zeggen dat de afhankelijkheid van de rotatiesnelheid van de grootte van de motorbelasting een continue functie is.

De situatie is compleet anders met een kwantumatoommotor. Ten eerste zijn er veel verboden waarden van het moment van externe krachten waarop de kwantummotor niet zal werken - de snelheid van de "drager" zal nul zijn (tenzij, natuurlijk, de thermische beweging van het atoom is uitgesloten). Ten tweede gedraagt ​​het motortoerental zich bij een toename van de toegestane belastingswaarden op een niet-monotone manier: een toename van het moment van krachten leidt eerst tot een toename van de "dragersnelheid", vervolgens tot een afname en vervolgens tot een verandering in de draairichting van het atoom met een gelijktijdige toename van de bewegingssnelheid.In het algemeen zal de afhankelijkheid van de "dragersnelheid" van de belastingswaarde een discrete functie zijn, die ook fractale eigenschappen heeft. De fractaliteitseigenschap betekent dat het hierboven beschreven gedrag van een kwantumatoommotor wordt herhaald in een regelmatig groter wordend bereik van belastingswaarden.

Het artikel stelt ook een diagram voor van de praktische implementatie van deze kwantumatoommotor. Om dit te doen, kunt u een ongeladen "starter" -atoom en een geïoniseerd "drager" -atoom (eerste optie) gebruiken, of een "starter" kan een deeltje met nul-spin zijn en een "drager" kan een atoom met een niet-nul-spin zijn (tweede optie). In het laatste geval stellen de auteurs voor om de ytterbium 174Yb isotopen met zero spin (d.w.z. het boson) en de 171Yb isotoop met half-integer spin (fermion) of 87Rb, bekend als het materiaal voor de eerste Bose-Einstein-condensatie, en de 6Li fermion te gebruiken. Als bijvoorbeeld een lithiumatoom wordt gebruikt als een "drager", moet de optische roosterconstante voor sommige andere aanvullende motorparameters (in het bijzonder de diepte van de energiebron van het optische rooster en de massa van atomen) 10 μm zijn, en de frequentie van het regelveld is minder dan 2 Hz. In dit geval bereikt de kwantumatoommotor de "piek van het vermogen" (de snelheid van de "drager" wordt constant) in 1 minuut. Met een afname van de periode van het optische rooster, bereikt het apparaat zijn maximale vermogen na 10 seconden.

Experimenten zijn er al in geslaagd te reageren op een gepubliceerd artikel van Duitse theoretici. Ze geloven dat het plaatsen van twee afzonderlijk genomen atomen in zo'n ringvormige optische array technisch, misschien echt, maar erg moeilijk is. Bovendien is het onduidelijk hoe nuttig werk uit een dergelijke motor kan worden gehaald. Het is dus niet bekend of het project van een dergelijke kwantumatoommotor zal worden geïmplementeerd of dat het door theoretici een mooi model op papier zal blijven.

Bron: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-aangedreven atomaire kwantummotor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Zie ook: Minato magnetische motor