Физики создали самый маленький в мире двигатель
Этот эксперимент и теория открывают новую эру для исследования энергетических технологий, основанных на квантовой теории
Физики создали самый маленький в мире двигатель, который существует в виде одного иона кальция и примерно в десять миллиардов раз меньше автомобильного двигателя.
Работа, выполненная группой QuSys профессора Джона Гольда в Физической школе Тринити, описывает науку, стоящую за этим крошечным мотором. Исследование, опубликованное в международном журнале Physical Review Letters, объясняет, как случайные колебания влияют на работу микроскопических машин. В будущем такие устройства могут быть включены в другие технологии, чтобы утилизировать отходящее тепло и, таким образом, повысить энергоэффективность.
Сам двигатель — один ион кальция — электрически заряжен, что облегчает его захват с помощью электрических полей. Рабочим веществом двигателя является «собственное вращение» иона (его угловой момент). Этот спин используется для преобразования тепла, поглощенного лазерными лучами, в колебания или вибрации захваченного иона.
Вибрации действуют как «маховик», который улавливает полезную энергию, генерируемую двигателем. Эта энергия хранится в дискретных единицах, называемых «квантами», как и предсказывает квантовая механика.
«Маховик позволяет нам фактически измерить выходную мощность двигателя атомного масштаба, впервые разрешая отдельные кванты энергии», — сказал доктор Марк Митчисон из группы QuSys в Trinity и один из соавторов статьи.
Запустив маховик из состояния покоя или, точнее, из его «основного состояния» (самой низкой энергии в квантовой физике), ученые заметили, как маленький двигатель заставляет маховик работать все быстрее и быстрее. Важно отметить, что состояние иона было доступно в эксперименте, что позволило физикам точно оценить процесс осаждения энергии.
«Этот эксперимент и теория открывают новую эру для исследования энергетических технологий, основанных на квантовой теории, которая является основной темой висследований нашей группы. Управление теплом на наноуровне является одним из основных узких мест для получения более быстрых и эффективных вычислений. Понимание того, как термодинамика может быть применена в таких микроскопических условиях, имеет первостепенное значение для будущих технологий» — говорят исследователи.
Spin Heat Engine Coupled to a Harmonic-Oscillator Flywheel, Physical Review Letters (2019). journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.123.080602