Unang motor na nanoelectric

Ang mga teoristang Aleman mula sa Unibersidad ng Augsburg ay nagmungkahi ng isang orihinal na modelo ng isang de-koryenteng motor na nagpapatakbo sa mga batas ng mga mekanika ng quantum. Ang isang espesyal na napiling panlabas na alternating magnetic field ay inilalapat sa dalawang mga atomo na inilagay sa isang hugis-singsing na optical na sala-sala sa isang napakababang temperatura. Ang isa sa mga atomo, na tinawag ng mga siyentipiko na "carrier", ay nagsisimulang gumalaw kasama ang optical na sala-sala at makalipas ang ilang sandali na maabot ang bilis, ang pangalawang atom ay gumaganap ng isang "starter" - salamat sa pakikisalamuha nito, ang "carrier" ay nagsisimula sa kilusan nito. Ang buong istraktura ay tinatawag na isang quantum atomic engine.

Ang unang nagtatrabaho na de-koryenteng motor ay idinisenyo at ipinakita noong 1827 ng pisisista ng Hungarian na si Agnos Jedlic. Ang pagpapabuti ng iba't ibang mga teknolohikal na proseso ay humahantong sa miniaturization ng iba't ibang mga aparato, kabilang ang mga aparato para sa pag-convert ng elektrikal o magnetic na enerhiya sa mekanikal na enerhiya. Halos 200 taon pagkatapos ng paglikha ng unang de-koryenteng motor, ang kanilang mga sukat ay nakarating sa micrometer threshold at sumampa sa rehiyon ng nanometer.

Ang isa sa maraming mga micro / nanoscale electric motor na proyekto ay iminungkahi at ipinatupad ng mga siyentipiko ng Amerikano noong 2003 sa isang artikulo ng mga rotational actuators batay sa mga carbon nanotubes, na inilathala sa Kalikasan.

Fig. 1. Ang makina ng dami ng atom. Dalawang magkaibang mga ultracold atoms (kayumanggi at asul na bola) ay nasa isang annular optical lattice. Tingnan ang teksto para sa mga detalye. Fig. mula sa artikulo sa ilalim ng talakayan sa Phys. Si Rev. Lett.

Fig. 2. Pagguhit ng eskematiko ng isang motor na nanoelectric. a. Ang metal rotor plate (R) ay naka-mount sa isang multi-pader na carbon nanotube. Ang elektrikal na kontak sa eroplano ng rotor ay sa pamamagitan ng isang carbon nanotube at mga angkla (A1, A2). Tatlong stator electrodes (S1, S2, S3) na matatagpuan sa isang silikon na oxide SiO2 na substrate ay gumaganap ng papel ng pagkontrol ng mga elemento ng pag-ikot ng rotor - binibigyan sila ng electric boltahe nang nakapag-iisa sa bawat isa. b. Larawan ng isang de-koryenteng motor na ginawa gamit ang isang pag-scan ng mikroskopyo ng elektron. Ang haba ng scale bar ay 300 nm. Fig. mula sa artikulong Rotational actuators batay sa carbon nanotubes sa Kalikasan

Sa isang multi-pader na carbon nanotube, mayroong isang flat sheet ng metal R, na gumaganap ng papel ng isang rotor (Fig. 2). Ang nanotube ay naka-mount sa dalawang electrically conductive anchor A1 at A2. Ang rotor ay matatagpuan sa pagitan ng tatlong electrodes - ang stators S1, S2 at S3. Sa pamamagitan ng paglalapat ng isang espesyal na boltahe sa rotor at tatlong stators, ang direksyon at bilis ng pag-ikot ng metal plate ay maaaring kontrolin. Ang multi-pader na carbon nanotube sa disenyo na ito ay nagsisilbi, una, bilang isang electric jumper upang matustusan ang kasalukuyang sa rotor, at pangalawa, bilang isang mekanikal na pangkabit ng rotor.

At kamakailan lamang, ang teoretikal na pisiko mula sa Alemanya sa isang artikulo sa pamamagitan ng ac-Driven Atomic Quantum Motor, na inilathala sa journal Physical Review Letters, na nagmungkahi ng isang modelo ng isang makina na may mga sukat ng micrometer at gumagana sa mga batas ng mga mekanika ng dami. Ang engine ay binubuo ng dalawang mga nakikipag-ugnay na mga particle - dalawang mga atomo na matatagpuan sa isang annular na salamin sa mata na lattice at matatagpuan sa isang napakababang temperatura (Larawan 1). Ang isang optical na sala-sala ay isang bitag para sa mga tulad ng mga ultracold atoms (na may mga temperatura sa pagkakasunud-sunod ng milli o microkelvins) na nilikha sa pamamagitan ng nakakagambala na mga beam ng laser.

Ang unang atom ay ang "carrier" (brown ball sa Fig. 1), ang pangalawang atom ay ang "starter" (asul na bola). Sa una, ang mga particle ay hindi nasasabik at matatagpuan sa ilalim ng enerhiya na rin ng sala-sala (sa antas na may pinakamababang posibleng halaga ng enerhiya). Ang isang panlabas na pagkakaiba-iba ng magnetic field (control signal) ay inilalapat sa optical grating, na nakakaapekto sa "carrier" at hindi nakakaapekto sa "starter". Ang pagsisimula ng engine na ito, bilang isang resulta ng kung saan ang "carrier" ay nagsisimula ng pabilog na paggalaw nito sa optical na sala-sala, ay isinasagawa sa pamamagitan ng pakikipag-ugnay sa isa pang butil - ang "starter".

Ang pagkakaroon ng isang "starter" na atom sa tulad ng isang aparato ay kinakailangan para sa buong operasyon ng engine ng kabuuan.Kung walang pangalawang butil, ang atom carrier ay hindi maaaring simulan ang direktang paggalaw nito kasama ang optical lattice. Iyon ay, ang gawain ng "starter" na atom ay upang simulan ang pagsisimula ng engine na ito, upang mabigyan ito ng isang panimula. Sa totoo lang, ito ay kung saan nagmula ang pangalan ng pangalawang butil. Pagkaraan ng ilang oras, ang "carrier", na nasa ilalim ng pagkilos ng isang alternatibong signal sa anyo ng isang panlabas na magnetic field, umabot sa pinakamataas na lakas nito - ang bilis ng atom ay umaabot sa maximum at nananatiling patuloy sa hinaharap.

Ngayon ang ilang mga salita tungkol sa mga kondisyon para sa epektibong operasyon ng tulad ng isang quantum atomic engine. Ang teoretikal na pananaliksik ng mga siyentipiko ng Aleman ay nagpakita na ang isang panlabas na variable na magnetic field ay dapat na binubuo ng dalawang mga maharmonya na sangkap na may ibinigay na mga amplitude at may ilang phase shift sa pagitan nila. Ang phase shift na ito sa pagitan ng mga sangkap ay gumaganap ng isang pangunahing papel sa engine - pinapayagan ka nitong kontrolin ang engine, iyon ay, baguhin ang bilis at direksyon ng paggalaw ng "carrier". Kung ang isang simpleng signal na maharmonya ay ginamit at ang magnetic field ay nagbago sa oras, halimbawa, ayon sa batas ng sine, kung gayon ang "carrier" ay maaaring pantay na lumipat sa optical lattice na sunud-sunod o hindi mababago, at imposibleng kontrolin ang direksyon at bilis ng paggalaw nito. Sa fig. Ipinapakita ng Figure 3 ang isang graph na kumakatawan sa bilis at direksyon ng pag-ikot ng "carrier" bilang isang function ng pagkakaiba-iba ng phase ng dalawang magkatugma, na kinakalkula gamit ang iba't ibang mga pamamaraan ng quantum-mechanical.

Fig. 3. Ang pag-asa ng bilis ng paggalaw ng "carrier" na atom vc sa phase pagkakaiba-iba ng mga harmonika (mga sangkap) at ang control magnetic field, na kinakalkula ng dalawang magkakaibang mga pamamaraan ng quantum-mechanical (pulang solidong linya at itim na linya ng itim). Ang isang negatibong halaga ng bilis ay tumutugma sa ibang direksyon ng pag-ikot. Ang bilis ng carrier ay sinusukat sa mga yunit ng ilang katangian ng bilis v0. Fig. mula sa artikulo sa ilalim ng talakayan sa Phys. Si Rev. Lett.

Makikita na ang maximum na "carrier" na tulin ay masusunod kung ang pagkakaiba sa phase ay π / 2 at 3π / 4. Ang isang negatibong halaga ng bilis ay nangangahulugan na ang atom ("carrier") ay umiikot sa kabaligtaran ng direksyon. Bilang karagdagan, posible na maitaguyod na ang bilis ng "carrier" atom ay maaabot lamang ang palagiang halaga lamang nito kapag ang bilang ng mga node ng optical na sala-sala ay mas malaki kaysa o katumbas ng 16 (tingnan ang Fig. 3, ang bilang ng mga node ay, halos magsalita, ang bilang ng mga jumpers sa pagitan ng "Hills"). Kaya, sa fig. 3, ang pag-asa ng bilis ng "carrier" sa pagkakaiba sa phase ay kinakalkula para sa 16 node ng salamin sa mata.

Upang ang aparato na inilarawan dito ay tinatawag na isang buong engine, kinakailangan pa rin upang malaman kung paano ito gumagana sa ilalim ng impluwensya ng anumang pagkarga. Sa isang maginoo na makina, ang laki ng pag-load ay maaaring inilarawan bilang sandali ng anumang panlabas na pwersa o puwersa. Ang isang pagtaas sa pag-load ay humahantong sa pagbaba sa bilis ng pag-ikot ng engine, na may karagdagang pagtaas sa sandali ng mga puwersa, ang engine ay maaaring magsimulang mag-ikot sa pagtaas ng direksyon na may pagtaas ng bilis. Kung binago mo ang direksyon ng aplikasyon ng metalikang kuwintas, pagkatapos ang isang pagtaas sa pag-load ay hahantong sa isang pagtaas sa bilis ng engine. Sa anumang kaso, mahalaga na ang isang maayos na patuloy na pagtaas ng pag-load ay nagbibigay ng parehong makinis at tuluy-tuloy na pagbabago sa bilis ng engine. Masasabi natin na ang pag-asa sa bilis ng pag-ikot sa laki ng engine load ay isang tuluy-tuloy na pag-andar.

Ang sitwasyon ay ganap na naiiba sa isang quantum atomic engine. Una, maraming mga ipinagbabawal na halaga ng sandali ng mga panlabas na puwersa kung saan hindi gagana ang engine ng kabuuan - ang bilis ng "carrier" ay magiging zero (maliban kung, siyempre, ang thermal motion ng atom ay hindi kasama). Pangalawa, na may pagtaas sa pinahihintulutang mga halaga ng pag-load, ang bilis ng engine ay kumikilos sa isang nonmonotonic paraan: isang pagtaas sa sandali ng mga puwersa ay nanguna muna sa isang pagtaas sa bilis ng "carrier", pagkatapos ay sa pagbaba nito, at pagkatapos ay sa isang pagbabago sa direksyon ng pag-ikot ng atom na may sabay na pagtaas sa bilis ng paggalaw.Sa pangkalahatan, ang pag-asa ng bilis ng "carrier" sa laki ng pag-load ay magiging isang discrete function na mayroon ding mga fractal na katangian. Ang pag-aari ng fractality ay nangangahulugan na ang nabanggit na pag-uugali ng isang quantum atomic engine ay maulit sa isang regular na pagpapalawak ng mga halaga ng pag-load.

Nagpapahiwatig din ang artikulo ng isang diagram ng praktikal na pagpapatupad ng engine na quantum atomic na ito. Upang magawa ito, maaari kang gumamit ng isang hindi ipinagpapalit na atom na "starter" at isang ionized "carrier" na atom (unang pagpipilian), o isang "starter" ay maaaring maging isang maliit na butil na may zero spin, at isang "carrier" ay maaaring maging isang atom na may isang non-zero spin (pangalawang pagpipilian). Sa huling kaso, iminumungkahi ng mga may-akda ang paggamit ng mga isotop ng ytterbium 174Yb na may zero spin (i.e., ang boson) at isotope ng 171Yb nito na may kalahating integer spin (fermion) o 87Rb, na kilala bilang materyal para sa unang kondensasyon ng Bose-Einstein, at ang 6Li fermion. Halimbawa, kung ang isang lithium atom ay ginagamit bilang isang "carrier", kung gayon ang optical na lattice na pare-pareho para sa ilang iba pang mga karagdagang mga parameter ng engine (lalo na, ang lalim ng enerhiya na rin ng optical lattice at ang masa ng mga atom) ay dapat na 10 μm, at ang dalas ng patlang ng kontrol ay mas mababa sa 2 Hz. Sa kasong ito, ang makina ng atomic engine ay maabot ang "rurok ng kapangyarihan" (ang bilis ng "carrier" ay nagiging pare-pareho) sa 1 minuto. Sa pagbaba ng panahon ng optical grating, naabot ng aparato ang maximum na lakas nito pagkatapos ng 10 segundo.

Nagawa na ng mga eksperimentong tumugon sa isang nai-publish na artikulo ng mga teoristang Aleman. Naniniwala sila na ang paglalagay ng dalawang magkahiwalay na kinuha na mga atoms sa tulad ng isang annular optical array ay technically, marahil, tunay, ngunit napakahirap. Bilang karagdagan, hindi malinaw kung paano kunin ang kapaki-pakinabang na gawain mula sa tulad ng isang makina. Kaya hindi alam kung ang proyekto ng naturang isang quantum atomic engine ay ipatutupad o kung mananatili itong isang magandang modelo sa papel ng mga teoretiko.

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

Tingnan din: Minato Magnetic Motor