Nano -system fungerer med interagerende elektroner, men ingen elektrisk strøm

(Phys.org) - illustrerer den usædvanlige måde, tingene fungerer på nanoskalaen, forskere har designet et nyt nanoelektromekanisk system (NEMS), der producerer mekanisk bevægelse på grund af interaktionerne mellem elektroner - men i modsætning til lignende systemer, dette system kræver ingen elektrisk strøm. I stedet, elektron-elektron-interaktionerne kobler to elektronreservoirer med forskellige temperaturer, som genererer en varmestrøm mellem dem, der får et suspenderet carbon nanorør til at vibrere.

Forskerne, A. Vikström og medforfattere fra Chalmers University of Technology i Göteborg, Sverige, og B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering fra National Academy of Sciences of Ukraine i Kharkov, Ukraine, har udgivet et papir om NEMS -enheden i en nylig udgave af Fysisk gennemgangsbreve .

"Mikroskopiske enheder, der kombinerer elektronik med mekanik - MEMS (mikroelektromekaniske systemer) - er allestedsnærværende i den moderne verden, "Fortalte Vikström Phys.org . "Sensorerne inde i vores smartphones, der bestemmer acceleration, orientering, etc., er gode eksempler. Når elektroniske enheder bliver mindre, der er en løbende bestræbelse på at erstatte sådanne mikroskopiske strukturer med nanoskopiske strukturer - NEMS. Vores forskning hører til i denne kategori; vi foreslår, model, og studere nye NEMS -enheder. Den NEMS varmemotor, som vi har foreslået, er speciel ved, at den omdanner en varmestrøm til mekanisk bevægelse uden at kræve eller generere en elektrisk strøm. "

Selvom der har været andre forslag, hvor enkeltelektronfænomener forårsager mekaniske vibrationer i NEMS-enheder, disse mekanismer kræver typisk en elektrisk strøm. Hvis denne strøm er blokeret, så virker disse mekanismer ikke længere.

Den nye foreslåede mekanisme adskiller sig ved, at den forsætligt blokerer enhver elektrisk strøm. Systemet består af et carbon nanorør ophængt mellem to elektrodeledninger, med to ledninger, der fungerer som et elektronreservoir. En spidselektrode over nanorøret fungerer som et andet reservoir, indeholdende elektroner med modsat spin som elektronerne i det første reservoir. Elektroner kan tunnel frit fra deres reservoirer til nanorøret og tilbage. Men fordi elektronerne fra forskellige reservoirer har modsatte spins, de kan ikke rejse til det modsatte reservoir, og så er der ingen gebyroverførsel.

Ting begynder at blive interessante, når elektronreservoirerne har forskellige temperaturer. Så når kolde elektroner fra det ene reservoir og varme elektroner fra det andet reservoir tunnel til nanorøret, de interagerer og varme overføres fra de varme til de kolde elektroner. Når de kolde elektroner tunnel tilbage til deres kolde reservoir, de bærer ekstra energi, mens de varme elektroner vender tilbage til deres varme reservoir med mindre energi.

Hvis spidsreservoiret er varmere end elektrodebeholderen, så vil den resulterende varmestrøm en smule aflede det suspenderede nanorør mod dette reservoir. Ved at bringe nanorøret og spidsreservoiret tættere på hinanden, denne afbøjning øger tunneleringshastigheden mellem dem. Den øgede tunneling frembringer en feedbackmekanisme, men med et forsinket svar, får nanorøret til at vibrere. Til sidst stabiliseres vibrationsamplituden, da pumpeeffektiviteten falder med amplituden. Ved at justere reservoirernes temperaturer, forskerne viste, at retningen og styrken af ​​feedbackmekanismen kan kontrolleres, og vibrationerne kan enten pumpes eller dæmpes.

Da systemet bruger varmestrøm til at generere mekanisk bevægelse, det fungerer effektivt som en nanoskala varmemotor. Motorens effektivitet stiger, når temperaturforskellen stiger, og forskerne vurderer, at den maksimale effektivitet er et par procent, begrænset af geometriske faktorer frem for temperaturforskel. Forskerne forventer, at systemet kan have en række forskellige anvendelser.

"Hvis du overvejer det generelle begreb om en varmemotor og forestiller dig det i forbindelse med et elektronisk kredsløb, det er let at forestille sig fordelene, "Vikström sagde." Varme er altid til stede i elektriske kredsløb som et biprodukt. Sådan varme er normalt bare spild af energi, men hvis du kunne udnytte det til, sige, forsyner andre integrerede NEMS -enheder, du ville have et mere energieffektivt system. "

Forskerne forklarer, at det foreslåede design eksperimentelt kan realiseres ved hjælp af eksisterende teknikker. De antyder, at vibrationerne kunne detekteres ved at anvende et magnetfelt vinkelret på nanorørets bevægelse, hvilket ville få en ladning på nanorøret til at opleve en kraft, der veksler med afbøjningen. Den vekselstrøm, den ville generere, kunne derefter måles, giver bevis på nanorørets vibrationer.

© 2016 Phys.org