Prvý nanoelektrický motor

Nemeckí teoretici z univerzity v Augsburgu navrhli originálny model elektrického motora pracujúceho podľa zákonov kvantovej mechaniky. Špeciálne zvolené vonkajšie striedavé magnetické pole sa aplikuje na dva atómy umiestnené do kruhovej optickej mriežky pri veľmi nízkej teplote. Jeden z atómov, ktorý vedci nazvali „nosič“, sa začína pohybovať po optickej mriežke a po chvíli dosiahne konštantnú rýchlosť, druhý atóm hrá úlohu „štartéra“ - vďaka interakcii s ním „nosič“ začína svoj pohyb. Celá štruktúra sa nazýva kvantový atómový motor.

Prvý pracujúci elektrický motor bol navrhnutý a demonštrovaný v roku 1827 maďarským fyzikom Agnosom Jedličkom. Zlepšenie rôznych technologických procesov vedie k miniaturizácii rôznych zariadení vrátane zariadení na premenu elektrickej alebo magnetickej energie na mechanickú energiu. Takmer 200 rokov po vytvorení prvého elektromotora dosiahli ich rozmery mikrometrovú hranicu a vstúpili do oblasti nanometrov.

Jeden z mnohých projektov elektrických motorov s mikroelektródami alebo nanomateriálmi navrhli a zrealizovali americkí vedci v roku 2003 v článku rotačných pohonov založených na uhlíkových nanorúrkach, publikovanom v časopise Nature.

Obr. 1. Atómový kvantový motor. Dva rôzne ultracoldové atómy (hnedé a modré gule) sú v prstencovej optickej mriežke. Podrobnosti nájdete v texte. Obr. z diskutovaného článku v Phys. Rev. Letí.

Obr. 2. Schematický nákres nanoelektrického motora. a. Kovová doska rotora (R) je namontovaná na viacstennej uhlíkovej nanotrubici. Elektrický kontakt s rovinou rotora je cez uhlíkovú nanotrubicu a kotvy (A1, A2). Tri statorové elektródy (S1, S2, S3) umiestnené na substráte oxidu kremičitého SiO2 hrajú úlohu ovládacích prvkov pre rotáciu rotora - sú napájané elektrickým napätím nezávisle od seba. b. Obrázok elektrického motora vyrobeného pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Dĺžka stupnice je 300 nm. Obr. z článku Rotačné aktuátory na báze uhlíkových nanorúrok v prírode

Na viacstennej uhlíkovej nanotrubici je plochý plech z kovu R, ktorý hrá úlohu rotora (obr. 2). Nanotrubica je namontovaná na dvoch elektricky vodivých kotvách A1 a A2. Rotor je umiestnený medzi tromi elektródami - statormi S1, S2 a S3. Použitím špeciálneho napätia na rotor a tri statory je možné regulovať smer a rýchlosť otáčania kovovej dosky. Viacvrstvová uhlíková nanotrubica v tomto návrhu slúži jednak ako elektrický prepojka na privádzanie prúdu do rotora, a jednak ako mechanické upevnenie rotora.

Nedávno teoretickí fyzici z Nemecka v článku ac-Driven Atomic Quantum Motor, publikovanom v časopise Physical Review Letters, navrhli model motora, ktorý má mikrometrické rozmery a pracuje na zákonoch kvantovej mechaniky. Motor pozostáva z dvoch vzájomne sa ovplyvňujúcich častíc - dvoch atómov umiestnených v prstencovej optickej mriežke a umiestnených pri veľmi nízkej teplote (obr. 1). Optická mriežka je pasca na také ultracoldové atómy (s teplotami rádovo miligramov alebo mikrokelvínov) vytvorená interferujúcimi laserovými lúčmi.

Prvý atóm je „nosič“ (hnedá guľa na obrázku 1), druhý atóm je „štartér“ (modrá guľa). Častice nie sú spočiatku excitované a sú umiestnené na spodku energetického vrtu mriežky (na úrovni s najnižšou možnou energetickou hodnotou). Na optickú mriežku je aplikované externé magnetické pole s premenlivým časom (riadiaci signál), ktoré ovplyvňuje „nosič“ a nemá vplyv na „štartér“. Štart tohto motora, v dôsledku ktorého „nosič“ začína svoj kruhový pohyb v optickej mriežke, sa uskutočňuje prostredníctvom interakcie s inou časticou - „štartovačom“.

Prítomnosť „štartovacieho“ atómu v takomto zariadení je nevyhnutná pre úplnú prevádzku kvantového motora.Ak by neexistovala žiadna druhá častica, atóm nosiča nemohol začať svoj riadený pohyb pozdĺž optickej mriežky. To znamená, že úlohou „štartovacieho“ atómu je iniciovať štart tohto motora a dať mu štart. V skutočnosti to je miesto, odkiaľ pochádza názov druhej častice. Po určitom čase „nosič“, už pôsobením striedavého signálu vo forme vonkajšieho magnetického poľa, dosiahne svoj špičkový výkon - rýchlosť atómu dosiahne maximum a zostane v budúcnosti konštantná.

Teraz pár slov o podmienkach pre efektívnu prevádzku takého kvantového atómového motora. Teoretický výskum nemeckých vedcov ukázal, že vonkajšie variabilné magnetické pole by malo pozostávať z dvoch harmonických zložiek s danými amplitúdami as určitým fázovým posunom medzi nimi. Tento fázový posun medzi komponentmi hrá v motore kľúčovú úlohu - umožňuje vám ovládať motor, tj meniť rýchlosť a smer pohybu „nosiča“. Keby sa použil jednoduchý harmonický signál a magnetické pole sa napríklad zmenilo v čase, napríklad podľa sínusového zákona, potom by sa „nosič“ mohol pohybovať v optickej mriežke v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek a nebolo by možné riadiť smer a rýchlosť jeho pohybu. Na obr. Obrázok 3 zobrazuje graf predstavujúci rýchlosť a smer otáčania „nosiča“ ako funkciu fázového rozdielu týchto dvoch harmonických, vypočítaného pomocou rôznych kvantovo-mechanických prístupov.

Obr. 3. Závislosť rýchlosti pohybu atómu „nosiča“ vc na fázovom rozdiele harmonických (komponentov) a riadiaceho magnetického poľa vypočítaná dvoma rôznymi kvantovo-mechanickými metódami (červená plná čiara a čierna prerušovaná čiara). Záporná hodnota rýchlosti zodpovedá inému smeru otáčania. Rýchlosť nosiča sa meria v jednotkách určitej charakteristickej rýchlosti v0. Obr. z diskutovaného článku v Phys. Rev. Letí.

Je zrejmé, že maximálna rýchlosť „nosiča“ sa bude pozorovať, keď je fázový rozdiel π / 2 a 3π / 4. Záporná hodnota rýchlosti znamená, že atóm („nosič“) sa otáča v opačnom smere. Okrem toho bolo možné stanoviť, že rýchlosť „nosičového“ atómu dosiahne svoju konštantnú hodnotu iba vtedy, keď je počet uzlov optickej mriežky väčší alebo rovný 16 (pozri obr. 3, počet uzlov je zhruba povedané počet prepojok medzi "kopca"). Na obr. 3 je závislosť „nosnej“ rýchlosti od fázového rozdielu vypočítaná pre 16 uzlov optickej mriežky.

Aby sa tu opísané zariadenie mohlo nazývať plnohodnotným motorom, musíte ešte zistiť, ako to funguje pod vplyvom akéhokoľvek zaťaženia. V konvenčnom motore môže byť veľkosť zaťaženia opísaná ako okamih akýchkoľvek vonkajších síl alebo síl. Zvýšenie zaťaženia vedie k zníženiu rýchlosti otáčania motora, s ďalším zvýšením momentu sily sa motor môže začať otáčať v rastúcom smere so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Ak zmeníte smer pôsobenia krútiaceho momentu, zvýšenie zaťaženia povedie k zvýšeniu otáčok motora. V každom prípade je dôležité, aby plynulé nepretržité zvyšovanie zaťaženia malo za následok rovnomernú a plynulú zmenu otáčok motora. Môžeme povedať, že závislosť rýchlosti otáčania od veľkosti zaťaženia motora je nepretržitá funkcia.

S kvantovým atómovým motorom je situácia úplne iná. Po prvé, existuje veľa zakázaných hodnôt okamihu vonkajších síl, pri ktorých nebude kvantový motor pracovať - ​​rýchlosť „nosiča“ bude nulová (pokiaľ nie je samozrejme vylúčený tepelný pohyb atómu). Po druhé, so zvýšením povolených hodnôt zaťaženia sa otáčky motora správajú nemonotonickým spôsobom: zvýšenie momentu vedie najprv k zvýšeniu „nosnej“ rýchlosti, potom k jej zníženiu a potom k zmene smeru otáčania atómu so súčasným zvýšením rýchlosti pohybu.Zvyčajne bude závislosť rýchlosti „nosiča“ od veľkosti záťaže diskrétnou funkciou, ktorá má tiež fraktálne vlastnosti. Vlastnosti fraktality znamenajú, že vyššie opísané správanie kvantového atómového motora sa bude opakovať v pravidelne sa rozširujúcom rozsahu hodnôt zaťaženia.

Článok tiež navrhuje schému praktickej implementácie tohto kvantového atómového motora. Na tento účel môžete použiť nenabitý „štartovací“ atóm a ionizovaný „atóm nosiča“ (prvá možnosť) alebo „štartér“ môže byť častica s nulovým spinom a „nosič“ môže byť atóm s nenulovým spinom (druhá možnosť). V druhom prípade autori navrhujú použitie izotopov ytterbium 174Yb s nulovým spinom (t. J. Bozón) a jeho izotopu 171Yb s polovičným spinom (fermion) alebo 87Rb, známy ako materiál pre prvú kondenzáciu Bose-Einstein a 6Li fermion. Napríklad, ak sa atóm lítia použije ako „nosič“, potom by optická mrežová konštanta pre niektoré ďalšie dodatočné parametre motora (najmä hĺbka energetickej jamky optickej mriežky a hmotnosť atómov) mala byť 10 μm a frekvencia kontrolného poľa je menšia ako 2 Hz. V tomto prípade kvantový atómový motor dosiahne „špičkový výkon“ (rýchlosť „nosiča“ sa ustáli) za 1 minútu. Pri poklese doby optickej mriežky dosiahne zariadenie maximálny výkon po 10 sekundách.

Expertom sa už podarilo reagovať na uverejnený článok nemeckých teoretikov. Domnievajú sa, že uvedenie dvoch oddelene odobratých atómov do takéhoto prstencového optického poľa je technicky, možno skutočné, ale veľmi ťažké. Okrem toho nie je jasné, ako z tohto motora získať užitočnú prácu. Nie je teda známe, či sa projekt takého kvantového atómového motora zrealizuje, alebo či zostane prekrásnym modelom teoretikov na papieri.

Zdroj: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Atómový kvantový motor poháňaný striedavým prúdom // Fyz. Rev. Letí. 102, 230601 (2009).

Pozri tiež: Minato magnetický motor