İlk nanoelektrik motor

Augsburg Üniversitesi'nden Alman teorisyenler, kuantum mekaniği yasaları üzerinde çalışan orijinal bir elektrik motoru modeli önermişlerdir. Halka şeklinde bir optik kafes içine yerleştirilmiş iki atoma çok düşük bir sıcaklıkta özel olarak seçilmiş bir harici alternatif manyetik alan uygulanır. Bilim adamlarının “taşıyıcı” olarak adlandırdığı atomlardan biri, optik kafes boyunca hareket etmeye başlar ve bir süre sonra sabit hıza ulaştığında, ikinci atom bir “marş” rolünü oynar - onunla etkileşim nedeniyle “taşıyıcı” hareketine başlar. Tüm yapıya kuantum atom motoru denir.

İlk çalışan elektrik motoru 1827'de Macar fizikçi Agnos Jedlic tarafından tasarlandı ve sergilendi. Çeşitli teknolojik işlemlerin iyileştirilmesi, elektrik veya manyetik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmek için kullanılan cihazlar da dahil olmak üzere çeşitli cihazların minyatürleştirilmesine yol açar. İlk elektrik motorunun oluşturulmasından yaklaşık 200 yıl sonra, boyutları mikrometre eşiğine ulaştı ve nanometre bölgesine adım attı.

Birçok mikro / nano ölçekli elektrik motoru projesinden biri, 2003 yılında Amerikalı bilim adamları tarafından Nature'da yayınlanan karbon nanotüplere dayanan Rotasyonel aktüatörlerin bir makalesinde önerilmiş ve uygulanmıştır.

Şek. 1. Atomik kuantum motoru. İki farklı ultra soğuk atom (kahverengi ve mavi toplar) dairesel bir optik kafes içinde bulunur. Ayrıntılar için metne bakın. Şek. Phys. Rev. Lett.

Şek. 2. Bir nanoelektrik motorun şematik çizimi. a. Metal rotor plakası (R) çok duvarlı bir karbon nanotüp üzerine monte edilmiştir. Rotor düzlemine elektrik teması bir karbon nanotüp ve ankrajlardan (A1, A2) geçer. Bir silikon oksit Si02 substratı üzerinde bulunan üç stator elektrot (S1, S2, S3) rotor dönüşünün kontrol elemanlarının rolünü oynar - birbirlerine bağımsız olarak elektrik voltajı ile beslenirler. b. Tarama elektron mikroskobu kullanılarak yapılan bir elektrik motoru görüntüsü. Ölçek çubuğunun uzunluğu 300 nm'dir. Şek. Doğadaki Karbon Nanotüplere Dayalı Döner Aktüatörler

Çok duvarlı bir karbon nanotüpte, bir rotorun rolünü oynayan düz bir metal R tabakası vardır (Şekil 2). Nanotüp, elektriksel olarak iletken iki A1 ve A2 ankrajına monte edilmiştir. Rotor üç elektrot arasında bulunur - statorlar S1, S2 ve S3. Rotora ve üç statora özel bir voltaj uygulanarak metal plakanın dönüş yönü ve hızı kontrol edilebilir. Bu tasarımdaki çok duvarlı karbon nanotüp, ilk olarak, rotora akım sağlamak için bir elektrik atlatıcısı olarak ve ikinci olarak da rotorun mekanik olarak sabitlenmesi olarak hizmet eder.

Ve son zamanlarda, Fiziksel İnceleme Mektupları dergisinde yayınlanan ac-Driven Atomic Quantum Motor'un bir makalesinde Almanya'dan teorik fizikçiler, kuantum mekaniği yasaları üzerinde çalışan mikrometre boyutunda bir motor modeli önerdiler. Motor, etkileşen iki parçacıktan oluşur - dairesel bir optik kafes içinde bulunan ve çok düşük bir sıcaklıkta bulunan iki atom (Şekil 1). Optik kafes, lazer ışınlarına müdahale ederek oluşturulan bu tür aşırı soğuk atomlar için (milli veya mikrokelvin derecesinde sıcaklıklarla) bir tuzaktır.

İlk atom “taşıyıcı” (Şekil 1'de kahverengi top), ikinci atom “marş” (mavi top). Başlangıçta, parçacıklar uyarılmaz ve kafesin enerji kuyusunun dibine (mümkün olan en düşük enerji değerine sahip seviyede) yerleştirilir. Optik ızgaraya “taşıyıcı” yı etkileyen ve “marş motorunu” etkilemeyen harici zamanla değişen bir manyetik alan (kontrol sinyali) uygulanır. Bu motorun başlatılması, bunun sonucunda “taşıyıcı” optik kafes içindeki dairesel hareketine başlaması, başka bir parçacık olan “marş motoru” ile etkileşim yoluyla gerçekleştirilir.

Kuantum motorun tam çalışması için böyle bir cihazda bir "marş" atomunun varlığı gereklidir.İkinci bir parçacık yoksa, taşıyıcı atom optik kafes boyunca yönlendirilmiş hareketine başlayamadı. Yani, "marş" atomunun görevi, bu motorun çalışmasını başlatmak, onu çalıştırmaktır. Aslında, ikinci parçacığın adı buradan geliyor. Bir süre sonra, zaten harici bir manyetik alan şeklinde alternatif bir sinyalin etkisi altında olan “taşıyıcı”, tepe gücüne ulaşır - atomun hızı maksimuma ulaşır ve gelecekte sabit kalır.

Şimdi böyle bir kuantum atom motorunun etkili çalışması için koşullar hakkında birkaç kelime. Alman bilim adamları tarafından yapılan teorik araştırmalar, bir dış değişken manyetik alanın, verilen genliklere ve aralarında bir miktar faz kaymasına sahip iki harmonik bileşenden oluşması gerektiğini gösterdi. Bileşenler arasındaki bu faz kayması motorda önemli bir rol oynar - motoru kontrol etmenizi, yani "taşıyıcının" hızını ve hareket yönünü değiştirmenizi sağlar. Basit bir harmonik sinyal kullanılmışsa ve manyetik alan zaman içinde değiştiyse, örneğin sinüs yasasına göre, “taşıyıcı” optik kafes içinde saat yönünde veya saat yönünün tersine hareket edebilir ve hareketinin yönünü ve hızını kontrol etmek imkansız olacaktır. Şek. Şekil 3, farklı kuantum-mekanik yaklaşımlar kullanılarak hesaplanan, iki harmoniğin faz farkının bir fonksiyonu olarak "taşıyıcının" dönüş hızını ve yönünü temsil eden bir grafiği göstermektedir.

Şek. 3. Taşıyıcı atomun (vc) hareket hızının, iki farklı kuantum-mekanik yöntemle (kırmızı düz çizgi ve siyah kesikli çizgi) hesaplanan harmonikler (bileşenler) ve kontrol manyetik alanı arasındaki faz farkına bağlılığı. Negatif hız değeri farklı bir dönüş yönüne karşılık gelir. Taşıyıcının hızı, bazı karakteristik hız v0 birimleriyle ölçülür. Şek. Phys. Rev. Lett.

Faz farkı π / 2 ve 3π / 4 olduğunda maksimum “taşıyıcı” hızın gözleneceği görülmektedir. Negatif bir hız değeri, atomun ("taşıyıcı") zıt yönde döndüğü anlamına gelir. Ek olarak, "taşıyıcı" atomun hızının sabit değerine ancak optik kafesin düğüm sayısı 16'dan büyük veya ona eşit olduğunda ulaşması mümkün olmuştur (bakınız Şekil 3, düğümlerin sayısı, kabaca konuşursak, "tepeler"). Yani, şek. Şekil 3'te, "taşıyıcı" hızın faz farkına bağımlılığı, optik kafesin 16 düğümü için hesaplanmıştır.

Burada tarif edilen cihazın tam teşekküllü bir motor olarak adlandırılması için, yine de herhangi bir yükün etkisi altında nasıl çalıştığını bulmak gerekir. Geleneksel bir motorda, yükün büyüklüğü herhangi bir dış kuvvet veya kuvvetin momenti olarak tanımlanabilir. Yükte bir artış, motorun dönme hızında bir azalmaya yol açar, kuvvet anında daha da artışla, motor artan hız ile artan yönde dönmeye başlayabilir. Torkun uygulama yönünü değiştirirseniz, yükte bir artış motor devrinde bir artışa yol açacaktır. Her halükarda, yumuşak bir sürekli yük artışının motor devrinde aynı yumuşak ve sürekli bir değişiklik vermesi önemlidir. Dönüş hızının motor yükünün büyüklüğüne bağımlılığının sürekli bir fonksiyon olduğunu söyleyebiliriz.

Bir kuantum atom motoruyla durum tamamen farklıdır. İlk olarak, kuantum motorunun çalışmadığı dış kuvvetlerin momentinin birçok yasak değeri vardır - “taşıyıcının” hızı sıfır olacaktır (tabii ki atomun termal hareketi hariç tutulmadıkça). İkincisi, izin verilen yük değerlerindeki bir artışla, motor hızı monoton olmayan bir şekilde davranır: kuvvet anındaki bir artış önce "taşıyıcı" hızda bir artışa, daha sonra azalmasına ve daha sonra hareket hızında eşzamanlı bir artışla atomun dönme yönünde bir değişikliğe yol açar.Genel olarak konuşursak, "taşıyıcı" hızın yükün büyüklüğüne bağımlılığı, aynı zamanda fraktal özelliklere sahip olan ayrı bir işlev olacaktır. Fraktalite özelliği, bir kuantum atom motorunun yukarıda tarif edilen davranışının, düzenli olarak genişleyen bir yük değerleri aralığında tekrarlanacağı anlamına gelir.

Makale ayrıca bu kuantum atom motorunun pratik uygulamasının bir diyagramını önermektedir. Bunu yapmak için yüksüz bir "başlangıç" atomu ve iyonize bir "taşıyıcı" atom (ilk seçenek) kullanabilirsiniz veya "başlangıç" sıfır dönüşlü bir parçacık olabilir ve "taşıyıcı" sıfır olmayan bir dönüş (ikinci seçenek) olan bir atom olabilir. İkinci durumda, yazarlar sıfır spinli (yani bozon) ytterbium 174Yb izotoplarını ve ilk Bose-Einstein yoğunlaşması için malzeme olarak bilinen yarı-tamsayı spin (fermiyon) veya 87Rb ile 171Rb izotopları ve 6Ri fermantasyonunu kullanmayı önermektedir. Örneğin, bir "taşıyıcı" olarak bir lityum atomu kullanılırsa, diğer bazı ek motor parametreleri için optik kafes sabiti (özellikle, optik kafesin enerji kuyusunun derinliği ve atomların kütlesi) 10 μm olmalıdır ve kontrol alanının frekansı 2 Hz'den az olmalıdır. Bu durumda, kuantum atom motoru 1 dakika içinde “güç zirvesine” (“taşıyıcının hızı sabit hale gelir)” ulaşacaktır. Optik ızgara süresinde bir azalma ile, cihaz 10 saniye sonra maksimum gücüne ulaşır.

Deneyciler zaten Alman teorisyenlerin yayınladığı bir makaleye cevap vermeyi başardılar. Ayrı ayrı alınan iki atomun bu tür dairesel bir optik diziye yerleştirilmesinin teknik olarak, belki de gerçek ama çok zor olduğuna inanıyorlar. Ayrıca, böyle bir motordan faydalı işlerin nasıl çıkarılacağı belirsizdir. Bu yüzden böyle bir kuantum atom motorunun projesinin uygulanıp uygulanmayacağı veya teorisyenler tarafından kağıt üzerinde güzel bir model olup olmayacağı bilinmemektedir.

Kaynak: A.V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-Driven Atomic Quantum Motor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Ayrıca bakınız: Minato Manyetik Motor