Első nanoelektromos motor

Az Augsburgi Egyetem német teoretikusai javaslatot tettek egy elektromotor eredeti modelljére, amely a kvantummechanika törvényein alapszik. Egy speciálisan kiválasztott, váltakozó mágneses teret alkalmaznak két gyűrű alakú optikai rácsba helyezett nagyon alacsony hőmérsékleten lévő atomra. Az egyik atom, amelyet a tudósok „vivőnek” neveztek, elkezdi az optikai rács mentén mozogni, és egy idő után eléri az állandó sebességet, a második atom „indító” szerepet játszik - az azzal való kölcsönhatásnak köszönhetően a „hordozó” megkezdi a mozgását. Az egész szerkezetet kvantum atommotornak nevezzük.

Az első működő villanymotorot 1827-ben Jedlic Agnos tervezte meg és mutatta be. A különféle technológiai folyamatok fejlesztése különböző eszközök miniatürizálásához vezet, ideértve az elektromos vagy mágneses energiát mechanikai energiává alakító eszközöket is. Közel 200 évvel az első villanymotor létrehozása után méretük elérte a mikrométer küszöböt és belépett a nanométer területébe.

Az amerikai tudósok 2003-ban javasolták és hajtották végre a sok mikro- / nanoméretű elektromotoros projektet a Rotációs szelepmozgatók szén nanocsöveken alapuló cikkében, amelyet a Nature publikált.

Ábra. 1. Atomi kvantummotor. Két különböző ultraszeres atom (barna és kék golyó) gyűrű alakú optikai rácsban van. A részleteket lásd a szövegben. Ábra. a Phys. Rev. Lett.

Ábra. 2. A nanoelektromos motor sematikus rajza. a. A fém forgórészlemezt (R) egy többrétegű szén nanocsövekre szerelik fel. A forgórész síkjához elektromos érintkezés szén nanocsöveken és horgonyokon (A1, A2) keresztül történik. A szilícium-oxid SiO2 hordozón elhelyezkedő három állórész elektróda (S1, S2, S3) a forgórész forgását vezérlő elemek szerepet játszik - egymástól függetlenül villamos feszültséggel látják el őket. b. A pásztázó elektronmikroszkóppal készült villamos motor képe. A léptékrúd hossza 300 nm. Ábra. a cikkből A forgó szelepmozgatók szén nanocsöveken alapuló természetben

A többfalú szén nanocsöveken egy lapos R fémlemez található, amely a forgórész szerepét játszik (2. ábra). A nanocsövek két elektromosan vezető A1 és A2 horgonyra vannak felszerelve. A forgórész a három elektróda, az S1, S2 és S3 állórészek között helyezkedik el. Egy speciális feszültséggel a rotorra és három állórészre a fémlemez forgásirányát és forgási sebességét lehet szabályozni. Az ebben a kialakításban szereplő többfalú szén nanocsöve egyrészt elektromos jumperként szolgál a rotor áramának biztosítására, másrészt pedig a forgórész mechanikus rögzítésére.

És nemrégiben a németországi elméleti fizikusok az ac-Driven Atomic Quantum Motor egy cikkében, amelyet a Physical Review Letters folyóiratban publikáltak, egy olyan motor modelljét javasoltak, amelynek mikrométer-mérete van, és amely a kvantummechanika törvényeire épül. A motor két kölcsönhatásban lévő részecskéből áll - két atom gyűrű alakú optikai rácsban helyezkedik el, és nagyon alacsony hőmérsékleten helyezkedik el (1. ábra). Az optikai rács csapda az ilyen ultra-szénatomok atomjaihoz (amelyek hőmérséklete milli vagy mikrovinin nagyságrendű), amelyeket zavaró lézersugarak hoznak létre.

Az első atom a „hordozó” (barna golyó az 1. ábrán), a második atom a „starter” (kék golyó). A részecskék kezdetben nem gerjesztik őket, és a rács energiakútjának alján helyezkednek el (a lehető legalacsonyabb energiaértékkel rendelkező szinten). Az optikai rácsra külső, időben változó mágneses mezőt (vezérlőjelet) alkalmazunk, amely befolyásolja a „hordozót” és nem az „indítót”. Ennek a motornak a beindulása, amelynek eredményeként a „hordozó” megkezdi körmozgását az optikai rácsban, egy másik részecskével - az „indítóval” - való kölcsönhatás révén valósul meg.

Az „indító” atom jelenléte egy ilyen eszközben a kvantummotor teljes működéséhez szükséges.Ha nem lenne második részecske, akkor a hordozóatom az optikai rács mentén nem indíthatta meg irányított mozgását. Vagyis az „indító” atom feladata ennek a motornak a beindítása, az indítás megadása. Valójában innen származik a második részecske neve. Egy idő múlva a „vivő”, amely már váltakozó jelként működik egy külső mágneses mező formájában, eléri csúcsteljesítményét - az atomi sebesség eléri a maximális értéket, és a jövőben állandó marad.

Most néhány szó az ilyen kvantummotor hatékony működésének feltételeiről. A német tudósok elméleti kutatása kimutatta, hogy a külső váltakozó mágneses mezőnek két harmonikus komponensből kell állnia, adott amplitúdókkal és némi fáziseltolással közöttük. Ez az alkatrészek közötti fáziseltolódás kulcsszerepet játszik a motorban - lehetővé teszi a motor vezérlését, vagyis megváltoztathatja a „hordozó” sebességét és mozgási irányát. Ha egy egyszerű harmonikus jelet használnának, és például a szinusz törvény szerint a mágneses mező időben megváltozik, akkor a „hordozó” ugyanolyan mértékben mozoghat az optikai rácsban az óramutató járásával ellentétesen vagy az óramutató járásával ellentétes irányban, és lehetetlen lenne irányítani a mozgásának irányát és sebességét. Ábrán A 3. ábra egy grafikon, amely a „hordozó” sebességét és forgásirányát mutatja be a két harmonikus fáziskülönbségének függvényében, különféle kvantummechanikai megközelítések alkalmazásával kiszámítva.

Ábra. 3. A vc „vivő” atom mozgási sebességének függése a harmonikusok (komponensek) fáziskülönbségétől és a vezérlő mágneses mezőtől, két különböző kvantummechanikai módszerrel kiszámítva (piros folytonos vonal és fekete szaggatott vonal). A negatív sebességérték eltérő forgási iránynak felel meg. A hordozó sebességét valamilyen jellemző v0 sebesség egységében mérik. Ábra. a Phys. Rev. Lett.

Látható, hogy a „hordozó” maximális sebességét akkor veszik figyelembe, ha a fáziskülönbség π / 2 és 3π / 4. A sebesség negatív értéke azt jelenti, hogy az atom ("hordozó") az ellenkező irányba forog. Ezenkívül megállapítható volt, hogy a „vivő” atom sebessége csak akkor éri el állandó értékét, ha az optikai rács csomópontjainak száma legalább 16 vagy azzal egyenlő (lásd a 3. ábrát), a csomópontok száma durván szólva az átmenetek száma "hegyek"). Tehát a 2. ábrán A 3. ábrán az optikai rács 16 csomópontjára kiszámítottuk a „vivő” sebesség fáziskülönbségtől való függését.

Annak érdekében, hogy az itt leírt eszközt teljes értékű motornak lehessen nevezni, még mindig meg kell tudnia, hogy működik-e bármilyen terhelés. Egy hagyományos motorban a terhelés nagysága leírható bármilyen külső erõ vagy erõ pillanataként. A terhelés növekedése a motor fordulatszámának csökkenéséhez vezet, és az erők pillanatának további növekedésével a motor a növekvő sebességgel növekvő irányban kezd forogni. Ha megváltoztatja a nyomaték alkalmazási irányát, akkor a terhelés növekedése a motor fordulatszámának növekedéséhez vezet. Mindenesetre fontos, hogy a folyamatos terhelés folyamatos növekedése a motor fordulatszámának egyenletes és folyamatos változását eredményezze. Azt mondhatjuk, hogy a fordulatszám függése a motorterhelés mértékétől folyamatos függvény.

A kvantum atommotorral teljesen más a helyzet. Először is, sok olyan tiltott érték van a külső erők pillanatában, amelyeken a kvantummotor nem fog működni - a „hordozó” sebessége nulla lesz (kivéve, ha természetesen az atom hőmozgása kizárt). Másodszor, a megengedett terhelési értékek növekedésével a motor fordulatszáma nem-monoton módon viselkedik: az erők pillanatának növekedése először a „hordozó” sebesség növekedéséhez, majd annak csökkenéséhez, majd az atom forgásirányának megváltoztatásához vezet a mozgási sebesség egyidejű növekedésével.Általánosságban elmondható, hogy a "hordozó" sebességnek a terhelési értéktől való függése diszkrét függvény, amelynek fraktál tulajdonságai is vannak. A fraktalitási tulajdonság azt jelenti, hogy a kvantum atommotor fent leírt viselkedése megismétlődik a terhelési értékek rendszeresen bővülő tartományában.

A cikk egy sémát is javasol ennek a kvantum atommotornak a gyakorlati megvalósításához. Ehhez használjon nem töltött „indító” atomot és ionizált „vivő” atomot (első lehetőség), vagy egy „indító” lehet egy részecske, amelynek nulla centrifugája van, és a „vivő” lehet atom, amelynek nullán kívüli centrifugája van (második lehetőség). Az utóbbi esetben a szerzők javasolják az ytterbium 174Yb izotópok nullpontú (azaz a bozon) és annak 171Yb izotópja félig egész spinnel (fermion) vagy 87Rb izotóp, azaz az első Bose-Einstein kondenzáció anyagaként ismert, és a 6Li fermion használatát. Például, ha lítiumatomot használunk „hordozóként”, akkor az egyéb motor további paramétereinek (különösen az optikai rács energiakútjának mélysége és az atomok tömege) optikai rácsállandójának 10 μm-nek kell lennie, és a vezérlőmező frekvenciája kevesebb, mint 2 Hz. Ebben az esetben a kvantum atommotor 1 perc alatt eléri a „teljesítmény csúcsát” (a „hordozó” sebessége állandóvá válik). Az optikai rács időtartamának csökkenésével a készülék 10 másodperc után eléri a maximális teljesítményét.

A kísérletezőknek már sikerült válaszolniuk a német teoretikusok közzétett cikkeire. Úgy vélik, hogy két külön-külön vett atom elhelyezése egy ilyen gyűrű alakú optikai tömbbe technikailag talán valódi, de nagyon nehéz. Ezenkívül nem világos, hogyan lehet hasznos munkát kinyerni egy ilyen motorból. Tehát nem ismeretes, hogy megvalósul-e egy ilyen kvantum-atomi motor projektje, vagy hogy ez az elméleti szakemberek szépen nyomtatott modellje marad-e papíron.

Forrás: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Váltóáramú kvantummotor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Lásd még: Minato mágneses motor