Pirmasis nanoelektrinis variklis

Vokiečių teoretikai iš Augsburgo universiteto pasiūlė originalų elektrinio variklio modelį, veikiantį pagal kvantinės mechanikos dėsnius. Du atomai, dedami į žiedo formos optinę gardelę labai žemoje temperatūroje, yra specialiai parinktas išorinis kintamasis magnetinis laukas. Vienas iš atomų, kuriuos mokslininkai pavadino „nešikliu“, pradeda judėti išilgai optinės gardelės ir po kurio laiko pasiekia pastovų greitį, antrasis atomas atlieka „starterio“ vaidmenį - dėka sąveikos su juo „nešiklis“ pradeda savo judėjimą. Visa struktūra vadinama kvantiniu atominiu varikliu.

Pirmąjį veikiantį elektrinį variklį 1827 m. Suprojektavo ir pademonstravo vengrų fizikas Agnos Jedlic. Įvairių technologinių procesų tobulinimas lemia įvairių prietaisų, įskaitant elektrinės ar magnetinės energijos pavertimą mechanine energija, miniatiūrizavimą. Praėjus beveik 200 metų nuo pirmojo elektrinio variklio sukūrimo, jų dydžiai pasiekė mikrometro slenkstį ir pakilo į nanometrų sritį.

2003 m. Amerikiečių mokslininkai pasiūlė ir įgyvendino vieną iš daugelio mikro / nanoskalės elektrinio variklio projektų rotacinių pavarų, pagrįstų anglies nanovamzdeliais, publikuotame žurnale „Nature“.

Fig. 1. Atominis kvantinis variklis. Du skirtingi kraštutiniai atomai (rudi ir mėlyni rutuliai) yra žiedinėje optinėje gardelėje. Išsamesnės informacijos ieškokite tekste. Fig. iš aptariamo straipsnio Phys. Red. Lett.

Fig. 2. Nanoelektrinio variklio schema. a. Metalinė rotoriaus plokštė (R) yra sumontuota ant daugiasienio anglies nanovamzdelio. Elektrinis kontaktas su rotoriaus plokštuma vyksta per anglies nanovamzdelį ir inkarus (A1, A2). Trys statoriaus elektrodai (S1, S2, S3), esantys ant silicio oksido SiO2 substrato, atlieka rotoriaus sukimosi valdymo elementų vaidmenį - jiems tiekiama elektros įtampa nepriklausomai vienas nuo kito. b. Elektrinio variklio, pagaminto naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą, vaizdas. Skalės juostos ilgis yra 300 nm. Fig. iš straipsnio Rotacinės pavaros, kurių pagrindą sudaro anglies nanovamzdeliai gamtoje

Ant daugiasienio anglies nanovamzdelio yra plokščias metalo lakštas R, atliekantis rotoriaus vaidmenį (2 pav.). Nanovamzdis sumontuotas ant dviejų elektrai laidžių inkarų A1 ir A2. Rotorius yra tarp trijų elektrodų - statorių S1, S2 ir S3. Taikant rotoriui ir trims statoriams specialią įtampą, galima kontroliuoti metalinės plokštės sukimosi kryptį ir greitį. Šios konstrukcijos daugiasienis anglies nanovamzdelis, viena vertus, tarnauja kaip elektrinis trumpiklis, kuris tiekia srovę į rotorių, ir, antra, kaip mechaninis rotoriaus tvirtinimas.

Ir neseniai teoriniai fizikai iš Vokietijos „ac-Driven Atomic Quantum Motor“ straipsnyje, paskelbtame žurnale „Physical Review Letters“, pasiūlė mikrometro dydžio variklio, veikiančio pagal kvantinės mechanikos dėsnius, modelį. Variklį sudaro dvi sąveikaujančios dalelės - du atomai, esantys žiedinėje optinėje gardelėje ir esantys labai žemoje temperatūroje (1 pav.). Optinė grotelė yra spąstas tokiems ypač mažiems atomams (kurių temperatūra yra milijono ar mikrokelvinų eilės tvarka), kuriuos sukuria trukdantys lazerio pluoštai.

Pirmasis atomas yra „nešiklis“ (rudas rutulys 1 pav.), Antrasis atomas yra „starteris“ (mėlynas rutulys). Iš pradžių dalelės nėra sužadinamos ir yra grotelės energetinio šulinio dugne (lygyje, kuriame yra kuo mažesnė energinė vertė). Optinis grotelis uždedamas išorinį kintantį laiką keičiantį magnetinį lauką (valdymo signalą), kuris veikia „nešiklį“ ir „starterį“. Šio variklio užvedimas, kurio metu „nešiklis“ sukamaisiais judesiais pradeda optinę gardelę, sąveikauja su kita dalele - „starteriu“.

Norint, kad kvantinis variklis veiktų visiškai, tokiame įrenginyje yra „starterio“ atomas.Jei nebuvo antrosios dalelės, nešiklio atomas negalėjo pradėti savo nukreipto judesio išilgai optinės gardelės. Tai yra, „starterio“ atomo užduotis yra inicijuoti šio variklio paleidimą, suteikti jam paleidimą. Tiesą sakant, iš čia kilęs antrosios dalelės pavadinimas. Po kurio laiko „nešiklis“, jau veikiant kintamąjį signalą išorinio magnetinio lauko pavidalu, pasiekia savo didžiausią galią - atominis greitis pasiekia didžiausią ir ateityje išlieka pastovus.

Dabar keli žodžiai apie tokio kvantinio atominio variklio efektyvaus veikimo sąlygas. Teoriniai vokiečių mokslininkų tyrimai parodė, kad išorinį kintamąjį magnetinį lauką turėtų sudaryti du harmoniniai komponentai, turintys nurodytą amplitudę ir su tam tikru fazių poslinkiu tarp jų. Šis fazės poslinkis tarp komponentų vaidina pagrindinį vaidmenį variklyje - jis leidžia valdyti variklį, tai yra, pakeisti „laikiklio“ greitį ir judėjimo kryptį. Jei būtų naudojamas paprastas harmoninis signalas ir, pavyzdžiui, pagal sinuso įstatymą, laiku pasikeistų magnetinis laukas, tada „nešiklis“ galėtų vienodai judėti optinėje grotelėje pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę, ir būtų neįmanoma valdyti jo judesio krypties ir greičio. Fig. 3 paveiksle parodytas grafikas, vaizduojantis „nešiklio“ sukimosi greitį ir kryptį kaip dviejų harmonikų fazių skirtumo funkciją, apskaičiuotą naudojant skirtingus kvantmechaninius metodus.

Fig. 3. „Nešančiojo“ atomo vc judesio greičio priklausomybė nuo harmonikų (komponentų) ir kontrolinio magnetinio lauko fazių skirtumo, apskaičiuoto dviem skirtingais kvantmechaniniais metodais (raudona vientisa linija ir juoda punktyrine linija). Neigiama greičio vertė atitinka skirtingą sukimosi kryptį. Nešiklio greitis matuojamas tam tikro būdingo greičio v0 vienetais. Fig. iš aptariamo straipsnio Phys. Red. Lett.

Matoma, kad didžiausias „nešiklio“ greitis bus stebimas, kai fazių skirtumas yra π / 2 ir 3π / 4. Neigiama greičio reikšmė reiškia, kad atomas („nešiklis“) sukasi priešinga kryptimi. Be to, buvo įmanoma nustatyti, kad „nešiklio“ atomo greitis pasieks pastovią vertę tik tada, kai optinės gardelės mazgų skaičius bus didesnis arba lygus 16 (žr. 3 pav., Mazgų skaičius, grubiai tariant, yra šuolių tarp „Kalvos“). Taigi, fig. 3, 16 optinės gardelės mazgų yra apskaičiuota „nešiklio“ greičio priklausomybė nuo fazių skirtumo.

Norint, kad čia aprašytas įrenginys galėtų būti vadinamas pilnaverčiu varikliu, vis tiek reikia išsiaiškinti, kaip jis veikia veikiant bet kokiai apkrovai. Įprastame variklyje apkrovos dydį galima apibūdinti kaip bet kokių išorinių jėgų ar jėgų momentą. Padidėjus apkrovai sumažėja variklio sukimosi greitis, o dar labiau padidėjus jėgų momentui, variklis gali pradėti suktis didėjančia kryptimi didėjant greičiui. Jei pakeisite sukimo momento taikymo kryptį, padidėjus apkrovai, padidės variklio greitis. Bet kokiu atveju svarbu, kad tolygus nuolatinis apkrovos padidėjimas leistų tą patį sklandų ir nuolatinį variklio greičio pokytį. Galime pasakyti, kad sukimosi greičio priklausomybė nuo variklio apkrovos dydžio yra nepertraukiama funkcija.

Su kvantiniu atominiu varikliu situacija yra visiškai kitokia. Pirma, yra daug draudžiamų išorinių jėgų momento, kai kvantinis variklis neveiks, reikšmių - „nešiklio“ greitis bus lygus nuliui (nebent, žinoma, atmesta atomo šiluminė jėga). Antra, padidėjus leistinoms apkrovos vertėms, variklio greitis elgiasi nemonotoniškai: padidėjęs jėgų momentas pirmiausia padidina „nešiklio“ greitį, paskui - prie jo sumažėjimo, o po to prie atomo sukimosi krypties pasikeitimo kartu padidindamas judėjimo greitį.Paprastai tariant, „nešiklio“ greičio priklausomybė nuo apkrovos vertės bus atskira funkcija, turinti ir fraktalines savybes. Fraktiškumo savybė reiškia, kad aukščiau aprašytas kvantinio atominio variklio elgesys bus pakartotas reguliariai plečiantis apkrovos verčių diapazonui.

Straipsnyje taip pat siūloma šio kvantinio atominio variklio praktinio įgyvendinimo schema. Norėdami tai padaryti, galite naudoti neįkrautą „starterio“ atomą ir jonizuotą „nešiklio“ atomą (pirmoji parinktis), arba „starteris“ gali būti dalelė, kurios suktukas lygus nuliui, o „nešiotojas“ gali būti atomas, kurio sukinys nėra lygus nuliui (antra galimybė). Pastaruoju atveju autoriai siūlo naudoti ytterbium 174Yb izotopus su nuliniu sukiniu (t. Y. Bozonu) ir jo 171Yb izotopą su pusiau sveiku spin (fermionu) arba 87Rb, žinomu kaip pirmojo Bose'o-Einšteino kondensacijos medžiaga, ir 6Li fermioną. Pvz., Jei ličio atomas naudojamas kaip „nešiklis“, tada kai kurių kitų variklio papildomų parametrų optinė gardelės konstanta (ypač optinio tinklelio energetinio šulinio gylis ir atomų masė) turėtų būti 10 μm, o valdymo lauko dažnis yra mažesnis nei 2 Hz. Tokiu atveju kvantinis atominis variklis pasieks „galios viršūnę“ („nešiklio“ greitis tampa pastovus) per 1 minutę. Mažėjant optinio grotelių periodui, prietaisas pasiekia maksimalią galią po 10 sekundžių.

Eksperimentams jau pavyko atsakyti į paskelbtą vokiečių teoretikų straipsnį. Jie mano, kad sudėti du atskirai paimtus atomus į tokią žiedinę optinę matricą yra techniškai, ko gero, realu, bet labai sunku. Be to, neaišku, kaip iš tokio variklio išgauti naudingą darbą. Taigi nežinoma, ar bus įgyvendintas tokio kvantinio atominio variklio projektas, ar jis išliks gražiu teoretikų pavyzdžiu ant popieriaus.

Šaltinis: A. V. Ponomarevas, S. Denisovas, P. Hänggi. Ac varomas atominis kvantinis variklis // Fiz. Red. Lett. 102, 230601 (2009).

Taip pat žiūrėkite: Minato magnetinis variklis