Primo motore nanoelettrico

I teorici tedeschi dell'Università di Augsburg hanno proposto un modello originale di un motore elettrico che opera secondo le leggi della meccanica quantistica. Un campo magnetico alternato esterno appositamente selezionato viene applicato a due atomi posti in un reticolo ottico a forma di anello a una temperatura molto bassa. Uno degli atomi, che gli scienziati chiamano "portatore", inizia a muoversi lungo il reticolo ottico e dopo un po 'raggiunge una velocità costante, il secondo atomo svolge il ruolo di "avviatore" - grazie all'interazione con esso, il "portatore" inizia il suo movimento. L'intera struttura è chiamata un motore atomico quantistico.

Il primo motore elettrico funzionante fu progettato e dimostrato nel 1827 dal fisico ungherese Agnos Jedlic. Il miglioramento di vari processi tecnologici porta alla miniaturizzazione di vari dispositivi, compresi i dispositivi per convertire l'energia elettrica o magnetica in energia meccanica. Quasi 200 anni dopo la creazione del primo motore elettrico, le loro dimensioni raggiunsero la soglia del micrometro e entrarono nella regione del nanometro.

Uno dei tanti progetti di motori elettrici su micro / nanoscala è stato proposto e realizzato da scienziati americani nel 2003 in un articolo di attuatori rotazionali basato su nanotubi di carbonio, pubblicato su Nature.

Fig. 1. Motore quantico atomico. Due diversi atomi ultrafreddi (sfere marroni e blu) si trovano in un reticolo ottico anulare. Vedi il testo per i dettagli. Fig. dall'articolo in discussione in Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Disegno schematico di un motore nanoelettrico. a. La piastra metallica del rotore (R) è montata su un nanotubo di carbonio a pareti multiple. Il contatto elettrico con il piano del rotore avviene attraverso un nanotubo di carbonio e ancore (A1, A2). Tre elettrodi dello statore (S1, S2, S3) situati su un substrato di ossido di silicio SiO2 svolgono il ruolo di elementi di controllo per la rotazione del rotore: sono alimentati con tensione elettrica indipendentemente l'uno dall'altro. b. Immagine di un motore elettrico realizzato con un microscopio elettronico a scansione. La lunghezza della barra della scala è di 300 nm. Fig. dall'articolo Attuatori rotazionali basati su nanotubi di carbonio in natura

Su un nanotubo di carbonio a pareti multiple, c'è una lamiera piana di metallo R, che svolge il ruolo di un rotore (Fig. 2). Il nanotubo è montato su due ancore elettricamente conduttive A1 e A2. Il rotore si trova tra i tre elettrodi: gli statori S1, S2 e S3. Applicando una tensione speciale al rotore e tre statori, è possibile controllare la direzione e la velocità di rotazione della piastra metallica. Il nanotubo di carbonio a pareti multiple in questo design serve, in primo luogo, come un ponticello elettrico per fornire corrente al rotore e, in secondo luogo, come un fissaggio meccanico del rotore.

E recentemente, i fisici teorici tedeschi in un articolo di Atomic Quantum Motor, pubblicato dalla rivista Physical Review Letters, hanno proposto un modello di un motore di dimensioni micrometriche che opera sulle leggi della meccanica quantistica. Il motore è costituito da due particelle interagenti - due atomi situati in un reticolo ottico anulare e situati a una temperatura molto bassa (Fig. 1). Un reticolo ottico è una trappola per tali atomi ultrafreddi (con temperature dell'ordine di milli o microkelvin) creati da raggi laser interferenti.

Il primo atomo è il "portatore" (palla marrone nella figura 1), il secondo atomo è il "motorino di avviamento" (palla blu). Inizialmente, le particelle non sono eccitate e si trovano nella parte inferiore del pozzo di energia del reticolo (a livello con il valore energetico più basso possibile). Un campo magnetico esterno variabile (segnale di controllo) viene applicato al reticolo ottico, che influenza il "vettore" e non influisce sul "dispositivo di avviamento". L'avvio di questo motore, a seguito del quale il "corriere" inizia il suo movimento circolare nel reticolo ottico, viene effettuato attraverso l'interazione con un'altra particella: lo "starter".

La presenza di un atomo "di avviamento" in tale dispositivo è necessaria per il pieno funzionamento del motore quantico.Se non vi fosse una seconda particella, l'atomo di trasporto non potrebbe iniziare il suo movimento diretto lungo il reticolo ottico. Cioè, il compito dell'atomo "iniziale" è quello di avviare l'avvio di questo motore, per dargli un inizio. In realtà, è da qui che deriva il nome della seconda particella. Dopo qualche tempo, il "vettore", già sotto l'azione di un segnale alternato sotto forma di un campo magnetico esterno, raggiunge la sua potenza di picco - la velocità dell'atomo raggiunge il suo massimo e rimane costante in futuro.

Ora qualche parola sulle condizioni per l'effettivo funzionamento di un tale motore atomico quantistico. La ricerca teorica di scienziati tedeschi ha mostrato che un campo magnetico alternato esterno dovrebbe consistere di due componenti armoniche con ampiezze date e con uno spostamento di fase tra di loro. Questo spostamento di fase tra i componenti svolge un ruolo chiave nel motore: consente di controllare il motore, ovvero di modificare la velocità e la direzione del movimento del "vettore". Se venisse utilizzato un semplice segnale armonico e il campo magnetico cambiasse nel tempo, ad esempio secondo la legge del seno, il "vettore" potrebbe spostarsi ugualmente nel reticolo ottico in senso orario o antiorario, e sarebbe impossibile controllare la direzione e la velocità del suo movimento. In fig. La Figura 3 mostra un grafico che rappresenta la velocità e la direzione di rotazione del "portatore" in funzione della differenza di fase delle due armoniche, calcolata usando approcci quantomeccanici diversi.

Fig. 3. Dipendenza della velocità di movimento dell'atomo "portatore" vc dalla differenza di fase delle armoniche (componenti) e del campo magnetico di controllo, calcolata con due diversi metodi quantici-meccanici (linea continua rossa e linea tratteggiata nera). Un valore di velocità negativo corrisponde a un diverso senso di rotazione. La velocità del portatore viene misurata in unità di una certa velocità caratteristica v0. Fig. dall'articolo in discussione in Phys. Rev. Lett.

Si vede che la massima velocità del "portatore" sarà osservata quando la differenza di fase è π / 2 e 3π / 4. Un valore negativo di velocità significa che l'atomo ("vettore") ruota nella direzione opposta. Inoltre, è stato possibile stabilire che la velocità dell'atomo di trasporto raggiungerà il suo valore costante solo quando il numero di nodi del reticolo ottico è maggiore o uguale a 16 (vedi Fig. 3, il numero di nodi è, approssimativamente parlando, il numero di ponticelli tra "colline"). Quindi, in fig. 3, la dipendenza della velocità "portante" dalla differenza di fase viene calcolata per 16 nodi del reticolo ottico.

Affinché il dispositivo qui descritto sia chiamato motore a tutti gli effetti, è comunque necessario scoprire come funziona sotto l'influenza di qualsiasi carico. In un motore convenzionale, l'entità del carico può essere descritta come il momento di forze o forze esterne. Un aumento del carico porta ad una diminuzione della velocità di rotazione del motore, con un ulteriore aumento del momento delle forze, il motore può iniziare a ruotare in direzione crescente con l'aumentare della velocità. Se si cambia la direzione di applicazione della coppia, un aumento del carico comporterà un aumento della velocità del motore. In ogni caso, è importante che un aumento continuo regolare del carico dia lo stesso cambiamento regolare e continuo del regime del motore. Possiamo dire che la dipendenza della velocità di rotazione dall'entità del carico del motore è una funzione continua.

La situazione è completamente diversa con un motore atomico quantistico. Innanzitutto, ci sono molti valori proibiti del momento delle forze esterne in cui il motore quantico non funzionerà - la velocità del "vettore" sarà zero (a meno che, ovviamente, il movimento termico dell'atomo sia escluso). In secondo luogo, con un aumento dei valori di carico consentiti, la velocità del motore si comporta in modo non monotono: un aumento del momento delle forze porta prima ad un aumento della velocità "portante", quindi alla sua diminuzione, e quindi a un cambiamento nel senso di rotazione dell'atomo con un aumento simultaneo della velocità di movimento.In generale, la dipendenza della velocità "portante" dal valore di carico sarà una funzione discreta, che ha anche proprietà frattali. La proprietà di frattalità significa che il comportamento sopra descritto di un motore atomico quantistico verrà ripetuto in un intervallo di valori di carico che si espande regolarmente.

L'articolo propone anche uno schema per l'implementazione pratica di questo motore atomico quantistico. Per fare ciò, è possibile utilizzare un atomo di "avviamento" non caricato e un atomo di "vettore" ionizzato (prima opzione), oppure un "dispositivo di avviamento" può essere una particella con rotazione zero e un "vettore" può essere un atomo con una rotazione diversa da zero (seconda opzione). In quest'ultimo caso, gli autori propongono di utilizzare gli isotopi itterbio 174Yb con spin zero (cioè il bosone) e il suo isotopo 171Yb con spin mezzo intero (fermione) o 87Rb, noto come materiale per la prima condensazione di Bose-Einstein e il fermione 6Li. Ad esempio, se un atomo di litio viene utilizzato come "vettore", la costante di reticolo ottico per alcuni altri parametri del motore (in particolare, la profondità del pozzo di energia del reticolo ottico e la massa di atomi) dovrebbe essere di 10 μm e la frequenza del campo di controllo è inferiore a 2 Hz. In questo caso, il motore atomico quantistico raggiungerà il "picco di potenza" (la velocità del "vettore" diventa costante) in 1 minuto. Con una diminuzione del periodo del reticolo ottico, il dispositivo raggiunge la massima potenza dopo 10 secondi.

Gli sperimentatori sono già riusciti a rispondere a un articolo pubblicato da teorici tedeschi. Credono che mettere due atomi presi separatamente in un tale array ottico anulare sia tecnicamente, forse, reale, ma molto difficile. Inoltre, non è chiaro come estrarre lavoro utile da un tale motore. Quindi non è noto se il progetto di un tale motore atomico quantistico sarà implementato o se rimarrà un bellissimo modello su carta da parte dei teorici.

Fonte: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Motore quantico atomico guidato da Ac // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Vedi anche: Motore magnetico Minato