מנוע ננו-אלקטרי ראשון

תיאורטיקנים גרמנים מאוניברסיטת אוגסבורג הציעו דגם מקורי של מנוע חשמלי הפועל על פי חוקי מכניקת הקוונטים. שדה מגנטי אלטרנטיבי חיצוני שנבחר במיוחד מוחל על שני אטומים המונחים בסריג אופטי בצורת טבעת בטמפרטורה נמוכה מאוד. אחד האטומים, שמדענים כינו אותו "נשא", מתחיל לנוע לאורך הסריג האופטי ואחרי זמן מה מגיע למהירות קבועה, האטום השני ממלא את תפקידו של "מתנע" - בזכות האינטראקציה עמו, "הנשא" מתחיל את תנועתו. המבנה כולו נקרא מנוע אטומי קוונטי.

המנוע החשמלי הראשון שעובד תוכנן והודגם בשנת 1827 על ידי הפיזיקאי ההונגרי אגנוס ג'דיק. השיפור בתהליכים טכנולוגיים שונים מוביל למזעור של מכשירים שונים, כולל מכשירים להמרת אנרגיה חשמלית או מגנטית לאנרגיה מכנית. כמעט 200 שנה לאחר יצירת המנוע החשמלי הראשון, גדליהם הגיעו לסף המיקרומטר ונכנסו לאזור הננומטר.

אחד הפרויקטים הרבים של המנוע החשמלי במיקרו / ננו הוצע ויושם על ידי מדענים אמריקאים בשנת 2003 במאמר של מפעילי רוטציה על בסיס צינורות פחמן, שפורסם ב- Nature.

איור. 1. מנוע קוונטי אטומי. שני אטומים אולטרה-קונים שונים (כדורים חומים וכחולים) נמצאים בסריג אופטי טבעתי. עיין בטקסט לפרטים. איור. מהמאמר הנדון ב- Phys. הכמרית לט.

איור. 2. ציור סכמטי של מנוע ננו-אלקטרי. א. לוחית הרוטור המתכת (R) מורכבת על צינור פחמן רב-קירות. מגע חשמלי למישור הרוטור הוא באמצעות צינור צינור פחמן ועוגנים (A1, A2). שלוש אלקטרודות סטטור (S1, S2, S3) הממוקמות על מצע SiO2 תחמוצת סיליקון ממלאות את התפקיד של גורמי בקרה לסיבוב הרוטור - הם מסופקים עם מתח חשמלי ללא תלות זה בזה. ב. תמונה של מנוע חשמלי שנעשה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. אורך סרגל המידות הוא 300 ננומטר. איור. מתוך המאמר מפעילי סיבוב המבוססים על צינורות פחמן בטבע

על צינור צינור פחמן רב-קירות, יש יריעה שטוחה של מתכת R, הממלאת את תפקיד הרוטור (איור 2). צינור הננו מורכב על שני עוגנים מוליכים חשמליים A1 ו- A2. הרוטור ממוקם בין שלוש האלקטרודות - הסטטורים S1, S2 ו- S3. על ידי הפעלת מתח מיוחד לרוטור ושלושה סטטורים, ניתן לשלוט בכיוון ומהירות הסיבוב של לוח המתכת. צינור הפחמן הרב-קירות בעיצוב זה משמש, ראשית, כגשר חשמלי המספק זרם לרוטור, ושנית, כמתקן מכני של הרוטור.

ולאחרונה, פיזיקאים תיאורטיים מגרמניה במאמר מאת ac-Driven Atomic Quantum Motor, שפורסם בכתב העת Physical Review Letters, הציע דגם של מנוע בגודל מיקרומטר הפועל על פי חוקי מכניקת הקוונטים. המנוע מורכב משני חלקיקים אינטראקציה - שני אטומים הממוקמים בסריג אופטי טבעתי וממוקם בטמפרטורה נמוכה מאוד (איור 1). סריג אופטי הוא מלכודת לאטומים כה קרים (עם טמפרטורות בסדר גודל של מילי או מיקרו-כוויות) שנוצרו על ידי הפרעה של קרני לייזר.

האטום הראשון הוא ה"נשא "(הכדור החום באיור 1), האטום השני הוא" המתחיל "(הכדור הכחול). בתחילה החלקיקים אינם נרגשים ונמצאים בתחתית באר האנרגיה של הסריג (ברמה עם ערך האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי). שדה מגנטי חיצוני המשתנה בזמן (אות בקרה) מוחל על הגריד האופטי, המשפיע על "המוביל" ואינו משפיע על "המתנע". התנעה של מנוע זה, כתוצאה ממנו "המוביל" מתחיל את תנועתו הסיבובית בסריג האופטי, מתבצע באמצעות אינטראקציה עם חלקיק אחר - "המתנע".

נוכחותו של אטום "מתנע" במכשיר כזה הכרחי להפעלה מלאה של מנוע הקוונטים.אם לא היה חלקיק שני, אטום הנשא לא יכול היה להתחיל בתנועתו המכוונת לאורך הסריג האופטי. כלומר, המשימה של אטום ה"מתנע "היא ליזום את תחילת המנוע הזה, לתת לו התחלה. למעשה, מכאן מקור שמו של החלקיק השני. לאחר זמן מה, ה"נשא ", שכבר נמצא תחת פעולת אות מתחלף בצורת שדה מגנטי חיצוני, מגיע לעוצמת השיא שלו - המהירות האטומית מגיעה למקסימום ונשארת קבועה בעתיד.

עכשיו כמה מילים על התנאים להפעלה יעילה של מנוע אטומי קוונטי כזה. מחקר תיאורטי של מדענים גרמנים הראה ששדה מגנטי חיצוני משתנה צריך להיות מורכב משני רכיבים הרמוניים עם אמפליטודות נתונות ועם שינוי שלב כלשהו ביניהם. מעבר שלב זה בין הרכיבים ממלא תפקיד מפתח במנוע - הוא מאפשר לך לשלוט במנוע, כלומר לשנות את המהירות ואת כיוון התנועה של "המוביל". אם נעשה שימוש בסמל הרמוני פשוט והשדה המגנטי השתנה בזמן, למשל, על פי חוק הסינוס, "המנשא" יכול היה באותה מידה לנוע בסריג האופטי עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון, ויהיה בלתי אפשרי לשלוט בכיוון ומהירות תנועתו. באיור. איור 3 מציג גרף המייצג את מהירות וכיוון הסיבוב של ה"נשא "כפונקציה של הפרש השלבים של שני ההרמוניות, המחושב באמצעות גישות מכניות קוונטיות שונות.

איור. 3. תלות במהירות התנועה של אטום ה"נשא "VC על הפרש השלבים של הרמוניות (רכיבים) ושדה מגנטי שליטה, מחושב על ידי שתי שיטות מכניות קוונטיות שונות (קו מוצק אדום וקו מקווקו שחור). ערך מהירות שלילי מתאים לכיוון סיבוב אחר. מהירות המוביל נמדדת ביחידות בעלות מהירות אופיינית v0. איור. מהמאמר הנדון ב- Phys. הכמרית לט.

ניתן לראות כי מהירות ה"נשא "המרבית תישמר כאשר הפרש השלבים הוא π / 2 ו- 3π / 4. ערך שלילי של מהירות פירושו שהאטום ("נשא") מסתובב בכיוון ההפוך. בנוסף ניתן היה לקבוע כי מהירות אטום ה"נשא "תגיע לערכו הקבוע רק כאשר מספר הצמתים של הסריג האופטי גדול או שווה ל 16 (ראה איור 3, מספר הצמתים הוא, בערך, מספר הקופצים בין "גבעות"). אז, באיור. 3, התלות של מהירות ה"נושא "בהפרש הפאזות מחושבת ל -16 צמתים של הסריג האופטי.

על מנת שהמכשיר שתואר כאן ייקרא מנוע מן המניין, עדיין יש לברר כיצד הוא פועל תחת השפעת עומס כלשהו. במנוע קונבנציונאלי ניתן לתאר את גודל העומס כרגע של כוחות או כוחות חיצוניים כלשהם. עלייה בעומס מובילה לירידה במהירות הסיבוב של המנוע, עם עלייה נוספת ברגע הכוחות, המנוע יכול להתחיל להסתובב בכיוון הולך וגובר עם המהירות הגוברת. אם תשנה את כיוון הפעלת המומנט, עלייה בעומס תביא לעלייה במהירות המנוע. בכל מקרה, חשוב כי עלייה מתמשכת בעומס חלקה תביא לאותו שינוי חלק ורציף במהירות המנוע. אנו יכולים לומר שהתלות של מהירות הסיבוב בעוצמת עומס המנוע היא פונקציה רציפה.

המצב שונה לחלוטין במנוע אטומי קוונטי. ראשית, ישנם ערכים אסורים רבים של רגע הכוחות החיצוניים שבהם המנוע הקוונטי לא יעבוד - מהירות ה"נושא "תהיה אפס (אלא אם כן, כמובן, התנועה התרמית של האטום אינה נכללת). שנית, עם עלייה בערכי העומס המותרים, מהירות המנוע מתנהגת בצורה לא מונוטונית: עלייה ברגע הכוחות מובילה תחילה לעלייה במהירות "המוביל", אחר כך לירידה שלו, ואז לשינוי בכיוון סיבוב האטום עם עלייה בו זמנית במהירות התנועה.באופן כללי, התלות של מהירות ה"נושא "בערך העומס תהיה פונקציה נפרדת, שיש לה גם תכונות פרקטליות. מאפיין השבריריות פירושו כי ההתנהגות המתוארת לעיל של מנוע אטומי קוונטי תחזור על עצמה בטווח הרחבה קבוע של ערכי עומס.

המאמר מציע גם תרשים ליישום המעשי של מנוע אטומי קוונטי זה. לשם כך ניתן להשתמש באטום "starter" לא נטען ובאטום "carrier" מיונן (אפשרות ראשונה), או "Starter" יכול להיות חלקיק עם ספין אפס, ו"נושא "יכול להיות אטום עם ספין שאינו אפס (אפשרות שנייה). במקרה האחרון, הכותבים מציעים להשתמש באיזוטופים ytterbium 174Yb עם אפס ספין (כלומר הבוסון) ואיזוטופ 171Yb שלו עם ספין שלם שלם (fermion) או 87Rb, הידוע כחומר לעיבוי הראשון של Bose-Einstein, ו- 6Li fermion. לדוגמה, אם אטום ליתיום משמש כ"נושא ", קבוע הסריג האופטי עבור פרמטרים נוספים של מנוע נוסף (בפרט, עומק באר האנרגיה של הסריג האופטי ומסת האטומים) צריך להיות 10 מיקרומטר, ותדירות שדה השליטה היא פחות מ -2 הרץ. במקרה זה, המנוע האטומי הקוונטי יגיע ל"שיא הכוח "(מהירות ה"נושא" הופכת קבועה) תוך דקה. עם ירידה בתקופת הגרידה האופטית, המכשיר מגיע לעוצמתו המרבית לאחר 10 שניות.

ניסויים כבר הצליחו להגיב למאמר שפורסם על ידי תיאורטיקנים גרמנים. הם מאמינים כי הכנסת שני אטומים שנלקחו בנפרד למערך אופטי כל-כך טבעי זה טכני, אולי, אמיתי, אבל קשה מאוד. בנוסף, לא ברור כיצד להפיק עבודה מועילה ממנוע כזה. כך שלא ידוע אם הפרויקט של מנוע אטומי קוונטי כזה יושם או שמא יישאר מודל יפה על הנייר על ידי תיאורטיקנים.

מקור: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. מונע קוונטי אטומי מונע על ידי Ac // Phys. הכמרית לט. 102, 230601 (2009).

ראה גם: מנוע מגנטי מינאטו