Primer motor nanoelèctric

Els teòrics alemanys de la Universitat d’Augsburg han proposat un model original d’un motor elèctric que funciona segons les lleis de la mecànica quàntica. Un camp magnètic alternatiu extern especialment seleccionat s'aplica a dos àtoms col·locats en una gelosia òptica en forma d'anell a una temperatura molt baixa. Un dels àtoms, que els científics van anomenar "portador", comença a moure per la gelosia òptica i al cap d'un temps aconsegueix una velocitat constant, el segon àtom juga el paper d'un "arrencador", gràcies a la interacció amb ell, el "portador" comença el seu moviment. Tota l’estructura s’anomena motor atòmic quàntic.

El primer motor elèctric en funcionament va ser dissenyat i demostrat el 1827 pel físic hongarès Agnos Jedlic. La millora de diversos processos tecnològics condueix a la miniaturització de diversos dispositius, incloent-hi dispositius per convertir energia elèctrica o magnètica en energia mecànica. Gairebé 200 anys després de la creació del primer motor elèctric, les seves mides van arribar al llindar del micròmetre i van entrar a la regió del nanòmetre.

Un dels molts projectes de motor elèctric micro / nanoescala va ser proposat i implementat per científics nord-americans el 2003 en un article dels actuadors rotacionals basats en nanotubs de carboni, publicat a Nature.

Fig. 1. Motor quàntic atòmic. Dos àtoms ultracold diferents (boles marrons i blaus) es troben en una gelosia òptica anular. Vegeu el text per obtenir més informació. Fig. de l’article en discussió a Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Dibuix esquemàtic d’un motor nanoelèctric. a. La placa del rotor metàl·lic (R) es munta sobre un nanotub de carboni de múltiples parets. El contacte elèctric amb el pla del rotor es fa mitjançant un nanotub de carboni i ancoratges (A1, A2). Tres elèctrodes d’estator (S1, S2, S3) situats en un substrat SiO2 d’òxid de silici tenen el paper d’elements de control per a la rotació del rotor: s’ofereixen amb tensió elèctrica independentment les unes de les altres. b. Imatge d’un motor elèctric realitzat mitjançant un microscopi electrònic d’escaneig. La longitud de la barra d’escala és de 300 nm. Fig. de l'article Actuadors rotatius basats en nanotubs de carboni a Nature

En un nanotub de carboni de múltiples parets, hi ha una làmina plana de metall R, que té el paper d’un rotor (Fig. 2). El nanotub està muntat en dos ancoratges A1 i A2 elèctricament conductors. El rotor està situat entre els tres elèctrodes: els estats S1, S2 i S3. Aplicant una tensió especial al rotor i tres estats, es pot controlar la direcció i la velocitat de gir de la placa metàl·lica. El nanotub de carboni multi-parets d’aquest disseny serveix, primer, com a pont elèctric per subministrar corrent al rotor i, en segon lloc, com a fixació mecànica del rotor.

I recentment, físics teòrics d’Alemanya en un article de ac-Driven Atomic Quantum Motor, publicat a la revista Physical Review Letters, van proposar un model d’un motor que tingui dimensions de micròmetre i que treballés en les lleis de la mecànica quàntica. El motor consta de dues partícules en interacció: dos àtoms situats en una gelosia òptica anular i situats a una temperatura molt baixa (Fig. 1). Una gelosia òptica és una trampa per a aquests àtoms ultracoblats (amb temperatures de l'ordre de mili o microkelvines) creats mitjançant raigs làser interferint.

El primer àtom és el "portador" (bola marró a la figura 1), el segon àtom és el "arrencador" (bola blava). Inicialment, les partícules no s’emocionen i es troben a la part inferior del pou d’energia de la gelosia (al nivell amb el menor valor d’energia possible). A la reixeta òptica s'aplica un camp magnètic que varia el temps extern (senyal de control), que afecta el "portador" i no afecta el "arrencador". La posada en marxa d’aquest motor, com a conseqüència del qual el “portador” comença el seu moviment circular en la gelosia òptica, es realitza mitjançant la interacció amb una altra partícula: el “arrencador”.

La presència d'un àtom "d'arrencada" en un dispositiu és necessària per al funcionament complet del motor quàntic.Si no hi hagués una segona partícula, l’àtom portador no podria començar el seu moviment dirigit al llarg de la gelosia òptica. És a dir, la tasca de l’àtom del “starter” és iniciar l’arrencada d’aquest motor, donar-li un començament. De fet, d’aquí prové el nom de la segona partícula. Al cap d'un temps, el "portador", que ja es troba sota l'acció d'un senyal altern en forma de camp magnètic extern, assoleix la seva potència màxima: la velocitat atòmica arriba al màxim i es mantindrà constant en el futur.

Ara ve unes paraules sobre les condicions per al funcionament efectiu d’un motor atòmic quàntic. Una investigació teòrica de científics alemanys va demostrar que un camp magnètic alternatiu extern hauria de constar de dos components harmònics amb amplituds donades i amb algun desplaçament de fase entre ells. Aquest canvi de fase entre els components té un paper clau en el motor: permet controlar el motor, és a dir, canviar la velocitat i la direcció del moviment del "portador". Si s'utilitzés un senyal harmònic simple i el camp magnètic canviés en el temps, per exemple, segons la llei sinusoïdal, el "portador" es podia moure igualment en la gelosia òptica en el sentit de les agulles del rellotge o en sentit antihorari, i seria impossible controlar la direcció i la velocitat del seu moviment. A la fig. La figura 3 mostra un gràfic que representa la velocitat i la direcció de gir del "portador" en funció de la diferència de fase dels dos harmònics, calculada mitjançant diferents enfocaments mecànics quàntics.

Fig. 3. Dependència de la velocitat de moviment de l’àtom del “portador” vc de la diferència de fase dels harmònics (components) i del camp magnètic de control, calculada per dos mètodes quàntic-mecànics diferents (línia sòlida vermella i línia traçada negra). Un valor de velocitat negatiu correspon a una direcció de gir diferent. La velocitat del portador es mesura en unitats d’alguna velocitat característica v0. Fig. de l’article en discussió a Phys. Rev. Lett.

Es veu que la velocitat màxima “portadora” s’observarà quan la diferència de fase sigui π / 2 i 3π / 4. Un valor negatiu de velocitat significa que l’àtom ("portador") gira en el sentit contrari. A més, es va poder establir que la velocitat de l’àtom “portador” assolirà el seu valor constant només quan el nombre de nodes de la gelosia òptica és superior o igual a 16 (vegeu la Fig. 3, el nombre de nodes és, aproximadament, el nombre de saltadors entre "Turons"). Així doncs, a la fig. 3, la dependència de la velocitat del "portador" de la diferència de fase es calcula per a 16 nodes de la gelosia òptica.

Perquè el dispositiu aquí descrit s’anomeni un motor a tota velocitat, encara cal esbrinar com funciona sota la influència de qualsevol càrrega. En un motor convencional, la magnitud de la càrrega es pot descriure com el moment de qualsevol força o força externa. Un augment de la càrrega condueix a una disminució de la velocitat de gir del motor, amb un augment més en el moment de les forces, el motor pot començar a girar en sentit augmentant amb la velocitat creixent. Si canvieu la direcció d’aplicació del parell, un augment de la càrrega comportarà un augment de la velocitat del motor. En qualsevol cas, és important que un augment continu de la càrrega suau doni el mateix canvi continu i suau de la velocitat del motor. Podem dir que la dependència de la velocitat de gir de la magnitud de la càrrega del motor és una funció contínua.

La situació és completament diferent amb un motor atòmic quàntic. En primer lloc, hi ha molts valors prohibits del moment de les forces externes en què el motor quàntic no funcionarà; la velocitat del “portador” serà zero (tret que, per descomptat, s’exclogui el moviment tèrmic de l’àtom). En segon lloc, amb un augment dels valors de càrrega permesos, la velocitat del motor es comporta de manera no -monotònica: un augment en el moment de les forces porta primer a un augment de la velocitat de "portador", després a la seva disminució, i després a un canvi en la direcció de gir de l'àtom amb un augment simultani de la velocitat de moviment.En general, la dependència de la velocitat del "transportista" del valor de càrrega serà una funció discreta, que també té propietats fractals. La propietat de fractalitat significa que el comportament anteriorment descrit d’un motor atòmic quàntic es repetirà en un rang de valors de càrrega que s’expandeix regularment.

L'article també proposa un esquema per a la implementació pràctica d'aquest motor atòmic quàntic. Per fer-ho, podeu utilitzar un àtom de "arrencador" no carregat i un àtom de "portador" ionitzat (primera opció), o un "arrencador" pot ser una partícula amb gir zero, i un "portador" pot ser un àtom amb un gir no zero (segona opció). En aquest darrer cas, els autors proposen utilitzar els isòtops de ytterbium 174Yb amb centrifugat zero (és a dir, el bosó) i el seu isòtop de 171 Yb amb centrifugament de mig punt (fermion) o 87Rb, conegut com el material per a la primera condensació Bose-Einstein i el fermió 6Li. Per exemple, si s’utilitza un àtom de liti com a “portador”, la constant de gelosia òptica per a alguns altres paràmetres addicionals del motor (en particular, la profunditat del pou d’energia del gel òptic i la massa d’àtoms) hauria de ser de 10 μm i la freqüència del camp de control és inferior a 2 Hz. En aquest cas, el motor atòmic quàntic assolirà el "pic de potència" (la velocitat del "portador" es fa constant) en 1 minut. Amb una disminució del període de la reixeta òptica, el dispositiu aconsegueix la seva potència màxima al cap de 10 segons.

Els experimentadors ja han aconseguit respondre a un article publicat per teòrics alemanys. Creuen que posar dos àtoms presos per separat en una matriu òptica tan anular és, potser, realment tècnic, però molt difícil. A més, no està clar com extreure treballs útils d’un motor d’aquest tipus. Per tant, no se sap si el projecte d'un motor atòmic quàntic serà implementat o si seguirà sent un model preciós en paper per part de teòrics.

Font: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Motor quàntic atòmic impulsat per ac / físic. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Vegeu també Motor Magnètic Minato