Động cơ điện nano đầu tiên

Các nhà lý thuyết người Đức từ Đại học Augsburg đã đề xuất một mô hình ban đầu của một động cơ điện hoạt động theo định luật cơ học lượng tử. Một từ trường xen kẽ bên ngoài được lựa chọn đặc biệt được áp dụng cho hai nguyên tử được đặt trong một mạng quang hình vòng ở nhiệt độ rất thấp. Một trong những nguyên tử, mà các nhà khoa học gọi là tàu sân bay, bắt đầu di chuyển dọc theo mạng quang và sau một thời gian đạt đến tốc độ không đổi, nguyên tử thứ hai đóng vai trò của một starter starter - nhờ vào sự tương tác với nó, tàu sân bay Thay bắt đầu chuyển động. Toàn bộ cấu trúc được gọi là động cơ nguyên tử lượng tử.

Động cơ điện làm việc đầu tiên được thiết kế và trình diễn vào năm 1827 bởi nhà vật lý người Hungary Agnos Jedlic. Sự cải tiến của các quy trình công nghệ khác nhau dẫn đến việc thu nhỏ các thiết bị khác nhau, bao gồm các thiết bị để chuyển đổi năng lượng điện hoặc từ thành năng lượng cơ học. Gần 200 năm sau khi tạo ra động cơ điện đầu tiên, kích thước của chúng đạt đến ngưỡng micromet và bước vào vùng nanomet.

Một trong nhiều dự án động cơ điện vi mô / nano đã được các nhà khoa học Mỹ đề xuất và thực hiện vào năm 2003 trong một bài viết của các bộ truyền động quay dựa trên ống nano carbon, được công bố trên tạp chí Nature.

Hình. 1. Động cơ lượng tử nguyên tử. Hai nguyên tử ultracold khác nhau (quả bóng màu nâu và màu xanh) nằm trong một mạng quang hình khuyên. Xem văn bản để biết chi tiết. Hình. từ bài báo đang thảo luận trong Phys. Rev Lett.

Hình. 2. Vẽ sơ đồ động cơ nano. a. Tấm rôto kim loại (R) được gắn trên ống nano carbon đa thành. Tiếp xúc điện với mặt phẳng rôto thông qua ống nano carbon và neo (A1, A2). Ba điện cực stator (S1, S2, S3) nằm trên đế SiO2 oxit silic đóng vai trò kiểm soát các phần tử của rôto quay - chúng được cung cấp điện áp độc lập với nhau. b. Hình ảnh của một động cơ điện được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét. Chiều dài của thanh tỷ lệ là 300 nm. Hình. từ bài báo Bộ truyền động quay dựa trên ống nano carbon trong Tự nhiên

Trên ống nano carbon đa thành, có một tấm kim loại R phẳng, đóng vai trò của rôto (Hình 2). Ống nano được gắn trên hai neo dẫn điện A1 và A2. Rôto nằm giữa ba điện cực - các stato S1, S2 và S3. Bằng cách đặt một điện áp đặc biệt cho rôto và ba stator, hướng và tốc độ quay của tấm kim loại có thể được kiểm soát. Các ống nano carbon đa thành trong thiết kế này, trước hết, là một máy nhảy điện để cung cấp dòng điện cho rôto, và thứ hai, như là một sự buộc chặt cơ học của rôto.

Và gần đây, các nhà vật lý lý thuyết từ Đức trong một bài báo của Ac-Driven Atomic Quantum Motor, được công bố trên tạp chí Vật lý Đánh giá, đã đề xuất một mô hình của một động cơ có kích thước micromet hoạt động theo định luật cơ học lượng tử. Động cơ bao gồm hai hạt tương tác - hai nguyên tử nằm trong một mạng quang hình khuyên và nằm ở nhiệt độ rất thấp (Hình 1). Một mạng quang là một cái bẫy cho các nguyên tử cực nhỏ như vậy (với nhiệt độ theo thứ tự milli hoặc microkelvins) được tạo ra bằng cách can thiệp các chùm tia laser.

Nguyên tử đầu tiên là tàu sân bay trực tuyến (bóng màu nâu trong hình 1), nguyên tử thứ hai là tàu starterter (bóng màu xanh). Ban đầu, các hạt không bị kích thích và nằm ở đáy giếng năng lượng của mạng tinh thể (ở mức có giá trị năng lượng thấp nhất có thể). Một từ trường biến đổi theo thời gian bên ngoài (tín hiệu điều khiển) được áp dụng cho cách tử quang học, điều này ảnh hưởng đến sóng mang của nhà mạng và không ảnh hưởng đến bộ khởi động của nhà khởi động. Sự khởi đầu của động cơ này, là kết quả của việc tàu sân bay trực tiếp bắt đầu chuyển động tròn của nó trong mạng quang học, được thực hiện thông qua tương tác với một hạt khác - máy khởi động trực tiếp.

Sự hiện diện của một nguyên tử khởi động của người Viking trong một thiết bị như vậy là cần thiết cho hoạt động đầy đủ của động cơ lượng tử.Nếu không có hạt thứ hai, nguyên tử sóng mang không thể bắt đầu chuyển động có hướng dọc theo mạng quang. Đó là, nhiệm vụ của nguyên tử khởi động của người Viking là khởi xướng sự khởi đầu của động cơ này, để cho nó một sự khởi đầu. Trên thực tế, đây là nơi tên của hạt thứ hai đến từ. Sau một thời gian, tàu sân bay trực tuyến, đã hoạt động dưới dạng tín hiệu xen kẽ dưới dạng từ trường bên ngoài, đạt đến công suất cực đại - tốc độ Nguyên tử đạt cực đại và không đổi trong tương lai.

Bây giờ một vài từ về các điều kiện để hoạt động hiệu quả của một động cơ nguyên tử lượng tử như vậy. Nghiên cứu lý thuyết của các nhà khoa học Đức đã chỉ ra rằng một từ trường biến thiên bên ngoài phải bao gồm hai thành phần hài hòa với biên độ cho trước và với một số dịch pha giữa chúng. Sự dịch pha này giữa các bộ phận đóng vai trò chính trong động cơ - nó cho phép bạn điều khiển động cơ, nghĩa là thay đổi tốc độ và hướng chuyển động của "người vận chuyển". Nếu một tín hiệu sóng hài đơn giản được sử dụng và từ trường thay đổi theo thời gian, chẳng hạn, theo định luật sin, thì tàu sân bay, có thể di chuyển như nhau trong mạng quang theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, và không thể điều khiển hướng và tốc độ chuyển động của nó. Trong hình Hình 3 cho thấy một biểu đồ biểu thị tốc độ và hướng quay của tàu sân bay trực tuyến là một hàm của độ lệch pha của hai sóng hài, được tính toán bằng các phương pháp cơ học lượng tử khác nhau.

Hình. 3. Sự phụ thuộc của tốc độ chuyển động của nguyên tử mang vc vào độ lệch pha của sóng hài (thành phần) và từ trường điều khiển, được tính bằng hai phương pháp cơ học lượng tử khác nhau (đường liền màu đỏ và đường đứt nét màu đen). Một giá trị tốc độ âm tương ứng với một hướng quay khác nhau. Tốc độ của sóng mang được đo bằng đơn vị của một số tốc độ đặc trưng v0. Hình. từ bài báo đang thảo luận trong Phys. Rev Lett.

Người ta thấy rằng vận tốc tối đa của tàu sân bay trực tiếp sẽ được quan sát thấy khi độ lệch pha là π / 2 và 3π / 4. Giá trị âm của tốc độ có nghĩa là nguyên tử ("sóng mang") quay theo hướng ngược lại. Ngoài ra, có thể xác định rằng vận tốc của nguyên tử sóng mang của nhà cung cấp điện tử sẽ chỉ đạt giá trị không đổi khi số nút của mạng quang lớn hơn hoặc bằng 16 (xem hình 3, số lượng nút, nói một cách đại khái là số lượng nút nhảy giữa "Đồi"). Vì vậy, trong hình. 3, sự phụ thuộc của tốc độ sóng mang của người vận chuyển trên độ lệch pha được tính cho 16 nút của mạng quang.

Để thiết bị được mô tả ở đây được gọi là động cơ chính thức, bạn vẫn cần tìm hiểu cách thức hoạt động của thiết bị dưới ảnh hưởng của bất kỳ tải nào. Trong một động cơ thông thường, cường độ của tải có thể được mô tả là thời điểm của bất kỳ lực hoặc lực bên ngoài nào. Tải trọng tăng dẫn đến giảm tốc độ quay của động cơ, với sự gia tăng hơn nữa trong thời điểm các lực, động cơ có thể bắt đầu quay theo hướng tăng dần với tốc độ tăng dần. Nếu bạn thay đổi hướng áp dụng mô-men xoắn, thì việc tăng tải sẽ dẫn đến tăng tốc độ động cơ. Trong mọi trường hợp, điều quan trọng là tải tăng liên tục trơn tru sẽ mang lại sự thay đổi trơn tru và liên tục về tốc độ động cơ. Chúng ta có thể nói rằng sự phụ thuộc của tốc độ quay vào độ lớn của tải động cơ là một chức năng liên tục.

Tình hình hoàn toàn khác với một động cơ nguyên tử lượng tử. Thứ nhất, có nhiều giá trị bị cấm trong thời điểm các lực bên ngoài mà động cơ lượng tử sẽ không hoạt động - tốc độ của tàu sân bay, sẽ không bằng (trừ khi, tất nhiên, trừ khi chuyển động nhiệt của nguyên tử bị loại trừ). Thứ hai, với sự gia tăng các giá trị tải cho phép, tốc độ động cơ hoạt động theo phương thức không đơn điệu: sự gia tăng trong thời điểm các lực dẫn đến sự gia tăng tốc độ của tàu sân bay, sau đó giảm xuống, sau đó thay đổi theo hướng quay của nguyên tử với tốc độ chuyển động của nguyên tử.Nói chung, sự phụ thuộc của tốc độ "sóng mang" vào cường độ của tải sẽ là một hàm riêng biệt cũng có các thuộc tính fractal. Thuộc tính fractality có nghĩa là hành vi được mô tả ở trên của động cơ nguyên tử lượng tử sẽ được lặp lại trong phạm vi giá trị tải mở rộng thường xuyên.

Bài báo cũng đề xuất một sơ đồ thực hiện thực tế của động cơ nguyên tử lượng tử này. Để làm điều này, bạn có thể sử dụng một nguyên tử khởi động không tích điện và một nguyên tử sóng mang điện tử hóa ion hóa (tùy chọn đầu tiên), hoặc một starterter có thể là một hạt có độ xoáy bằng 0 và một tàu sân bay có thể là một nguyên tử có độ xoáy khác không (tùy chọn thứ hai). Trong trường hợp thứ hai, các tác giả đề xuất sử dụng các đồng vị ytterbium 174Yb với độ xoáy bằng không (nghĩa là boson) và đồng vị 171Yb của nó với spin nửa nguyên (fermion) hoặc 87Rb, được gọi là vật liệu cho ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên và 6L. Ví dụ: nếu một nguyên tử liti được sử dụng làm sóng mang, thì hằng số mạng quang cho một số thông số động cơ bổ sung khác (đặc biệt là độ sâu của giếng năng lượng của mạng quang và khối lượng nguyên tử) phải là 10 μm và tần số của trường điều khiển nhỏ hơn 2 Hz. Trong trường hợp này, động cơ nguyên tử lượng tử sẽ đạt đến đỉnh cực đại của sức mạnh (tốc độ của tàu sân bay có thể trở thành không đổi) trong 1 phút. Với việc giảm thời gian cách tử quang, thiết bị đạt công suất tối đa sau 10 giây.

Các nhà thí nghiệm đã quản lý để trả lời một bài báo được xuất bản bởi các nhà lý thuyết Đức. Họ tin rằng việc đặt hai nguyên tử được tách riêng vào một mảng quang hình khuyên như vậy là về mặt kỹ thuật, có thể, thực tế, nhưng rất khó. Ngoài ra, không rõ làm thế nào để trích xuất công việc hữu ích từ một công cụ như vậy. Vì vậy, người ta không biết liệu dự án của một động cơ nguyên tử lượng tử như vậy sẽ được thực hiện hay liệu nó sẽ vẫn là một mô hình đẹp trên giấy của các nhà lý thuyết.

Nguồn: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Động cơ lượng tử nguyên tử Ac-Driven // Phys. Rev Lett. 102, 230601 (2009).

Xem thêm: Động cơ từ tính