Рубрики
Электротехнические новинки

1-ый наноэлектродвигатель

Германские теоретики из института Аугсбурга предложили необычную модель электродвигателя, работающего на законах квантовой механики. К двум атомам, помещенным в кольцеобразную оптическую

Германские теоретики из института Аугсбурга предложили необычную модель электродвигателя, работающего на законах квантовой механики. К двум атомам, помещенным в кольцеобразную оптическую решетку при очень низкой температуре, прикладывается специально подобранное наружное переменное магнитное поле. Один из атомов, который ученые окрестили «носителем», начинает свое движение по оптической решетке и через некое время выходит на постоянную скорость, 2-ой атом играет роль «стартера» — благодаря взаимодействию с ним «носитель» начинает свое движение. Вся конструкция получила заглавие квантового атомного мотора.

1-ый работающий электронный движок был сконструирован и продемонстрирован в 1827 году венгерским физиком Аньошом Йедликом. Улучшение различных технологических процессов приводит к миниатюризации различных устройств, включая устройства по преобразованию электронной либо магнитной энергии в механическую. Спустя практически 200 лет с момента сотворения первого электродвигателя их размеры достигнули микрометрового рубежа и шагнули уже в нанометровую область.

Один из бессчетных проектов электродвигателя в микро/наномасштабе был в 2003 году предложен и реализован южноамериканскими учеными в статье Rotational actuators based on carbon nanotubes (полный текст — PDF, 227 Кб), размещенной в журнальчике Nature.

1-ый наноэлектродвигатель
Рис. 1. Атомный квантовый движок. Два разных ультрахолодных атома (карий и голубий шары) находятся в кольцеобразной оптической решетке. Подробности см. в тексте. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
1-ый наноэлектродвигатель

Рис. 2. Схематический набросок наноэлектродвигателя. a. Железная пластина-ротор (R) крепится на многостенную углеродную нанотрубку. Электронный контакт к плоскости ротора осуществляется через углеродную нанотрубку и анкеры (A1, A2). Три электрода-статора (S1, S2, S3), находящиеся на подложке из оксида кремния SiO2, играют роль контролирующих частей вращения ротора — на их независимо друг от друга подается электронное напряжение. b. Изображение электродвигателя, изготовленное с помощью сканирующего электрического микроскопа. Длина масштабной линейки 300 нм. Рис. из статьи Rotational actuators based on carbon nanotubes в Nature

На многостенной углеродной нанотрубке находится тонкий лист металла R, играющий роль ротора (рис. 2). Нанотрубка закреплена на 2-ух электропроводящих анкерах А1 и А2. Ротор размещается меж 3-мя электродами — статорами S1, S2 и S3. Подавая особым образом на ротор и три статора электронное напряжение, можно держать под контролем направление и скорость вращения железной пластинки. Многостенная углеродная нанотрубка в этой конструкции служит, во-1-х, как электронная перемычка для подачи тока на ротор, а во-2-х, как механическое крепление ротора.

А не так давно физики-теоретики из Германии в статье ac-Driven Atomic Quantum Motor, размещенной в журнальчике Physical Review Letters (полный текст статьи доступен тут, PDF, 205 Кб), предложили модель мотора, владеющего микрометровыми размерами и работающего на законах квантовой механики. Движок представляет собой две взаимодействующих частички — два атома, располагающихся в кольцеобразной оптической решетке и находящихся при очень низкой температуре (рис. 1). Оптическая решетка — это ловушка для таких ультрахолодных атомов (с температурой порядка милли- либо микрокельвинов), создаваемая интерферирующими лазерными лучами.

1-ый атом — «носитель» (карий шар на рис. 1), 2-ой атом — «стартер» (голубий шар). Вначале частички не возбуждены и находятся на деньке энергетической ямы решетки (на уровне с мало вероятным значением энергии). К оптической решетке прикладывается наружное переменное во времени магнитное поле (управляющий сигнал), влияющее на «носитель» и не влияющее на «стартер». Пуск этого мотора, в итоге которого «носитель» начинает свое радиальное движение в оптической решетке, осуществляется средством взаимодействия с другой частичкой — «стартером».

Наличие атома-«стартера» в таком устройстве нужно для настоящей работы квантового мотора. Если б 2-ой частички не было, то атом-«носитель» не сумел бы начать свое направленное движение по оптической решетке. Другими словами задачка атома-«стартера» — инициировать пуск этого мотора, дать ему старт. Фактически, отсюда и заглавие 2-ой частички. Спустя некое время «носитель», уже под действием переменного сигнала в виде наружного магнитного поля, выходит на пик собственной мощности — скорость движения атома добивается максимума и в предстоящем остается неизменной.

Сейчас несколько слов об критериях действенной работы такового квантового атомного мотора. Теоретические изыскания германских ученых проявили, что наружное переменное магнитное поле должно состоять из 2-ух гармонических компонент с данными амплитудами и с неким сдвигом фаз меж ними. Этот сдвиг фазы меж компонентами играет в работе мотора главную роль — он позволяет управлять движком, другими словами поменять скорость и направление движения «носителя». Если б употреблялся просто гармонический сигнал и магнитное поле изменялось во времени, к примеру, по закону синуса, то «носитель» с равной вероятностью мог бы двигаться в оптической решетке по либо против часовой стрелки, и регулировать направление и скорость его движения было бы нереально. На рис. 3 приведен график, представляющий скорость и направление вращения «носителя» как функцию разности фаз 2-ух гармоник, рассчитанную при помощи различных квантовомеханических подходов.

1-ый наноэлектродвигатель

Рис. 3. Зависимость скорости движения атома-«носителя» vc от разности фаз гармоник (компонент) и управляющего магнитного поля, рассчитанная 2-мя различными квантовомеханическими способами (красноватая сплошная линия и темная пунктирная). Отрицательное значение скорости соответствует другому направлению вращения. Скорость носителя измеряется в единицах некой соответствующей скорости v0. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

Видно, что максимум скорости «носителя» будет наблюдаться, когда разность фаз равна π/2 и 3π/4. Отрицательное значение скорости значит, что атом («носитель») крутится в обратную сторону. Не считая того, удалось установить, что скорость атома-«носителя» будет выходить на свое неизменное значение только тогда, когда число узлов оптической решетки будет больше либо равно 16 (см. рис. 3, число узлов — это, грубо говоря, число перемычек меж «холмами»). Так, на рис. 3 зависимость скорости «носителя» от разности фаз рассчитана для 16 узлов оптической решетки.

Чтоб описываемое тут устройство можно было именовать всеполноценным движком, нужно еще узнать, как оно работает под действием какой-нибудь нагрузки. В обыкновенном движке величину нагрузки можно обрисовать как момент каких-то наружных сил либо силы. Повышение нагрузки приводит к уменьшению скорости вращения мотора, при предстоящем увеличении момента сил движок может начать с растущей скоростью крутиться в оборотную сторону. Если же поменять направление приложения момента сил, то повышение нагрузки приведет к повышению скорости вращения мотора. В любом случае, тут принципиально то, что плавное непрерывное повышение нагрузки дает такое же плавное и непрерывное изменение скорости вращения мотора. Можно сказать, что зависимость скорости вращения от величины нагрузки мотора является непрерывной функцией.

Совсем по другому обстоит дело с квантовым атомным движком. Во-1-х, существует огромное количество нелегальных значений момента наружных сил, при которых квантовый движок работать не будет — скорость «носителя» будет равна нулю (если, естественно, исключить термическое движение атома). Во-2-х, при увеличении разрешенных значений нагрузки скорость мотора ведет себя немонотонным образом: рост момента сил приводит сначала к возрастанию скорости «носителя», позже к его уменьшению, а после чего — к смене направления вращения атома с одновременным ростом скорости движения. Вообщем говоря, зависимость скорости движения «носителя» от величины нагрузки будет дискретной функцией, обладающей к тому же фрактальными качествами. Свойство фрактальности значит, что вышеперечисленное поведение квантового атомного мотора будет повторяться в часто уширяющемся интервале значений нагрузки.

В статье также предлагается схема практической реализации данного квантового атомного мотора. Для этого можно использовать незаряженный атом-«стартер» и ионизированный атом-«носитель» (1-ый вариант), или «стартером» может быть частичка с нулевым спином, а «носителем» — атом со спином, не равным нулю (2-ой вариант). В последнем случае создатели предлагают использовать изотопы иттербия 174Yb с нулевым спином (другими словами бозон) и его изотоп 171Yb с полуцелым спином (фермион) либо же 87Rb, узнаваемый как материал для первой бозе-эйнштейновской конденсации, и фермион 6Li. К примеру, если в качестве «носителя» использовать атом лития, то неизменная оптической решетки при неких других дополнительных параметрах мотора (а именно, глубине энергетической ямы оптической решетки и массы атомов) должна составлять 10 мкм, а частота управляющего поля наименее 2 Гц. В таком случае выход на «пик мощности» (скорость «носителя» становится неизменной) квантовый атомный движок произведет через 1 минутку. При уменьшении периода оптической решетки выход мощности устройства на максимум происходит уже через 10 секунд.

Экспериментаторы уже успели отреагировать на размещенную статью германских теоретиков. Они считают, что поместить два раздельно взятых атома в такую кольцеобразную оптическую решетку на техническом уровне, может, и реально, но очень трудно. Не считая того, непонятно как извлечь полезную работу из такового мотора. Так что непонятно, будет ли реализован проект такового квантового атомного мотора либо он так и остается прекрасной моделью на бумаге у теоретиков.

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

Юрий Ерин http://elementy.ru/

Подпишитесь на новые статьи веб-сайта Электрик.Инфо через RSS

Сам для себя электрик
Домашняя мастерская
Познавательные статьи
Карта веб-сайта