For at lave en maskine på størrelse med atomer, du har brug for en kvantemekaniker

Her er et nyt kapitel i historien om miniaturisering af maskiner:forskere i et laboratorium i Singapore har vist, at et enkelt atom kan fungere som enten en motor eller et køleskab. En sådan enhed kunne konstrueres til fremtidige computere og brændselsceller for at styre energistrømmene.

"Tænk på, hvordan din computer eller bærbare computer har en masse ting inde i sig, som varmes op. I dag afkøler du det med en blæser, der blæser luft. I nanomaskiner eller kvantecomputere, små enheder, der kan køle, kunne være noget nyttigt, " siger Dario Poletti fra Singapore University of Technology and Design (SUTD).

Dette arbejde giver ny indsigt i mekanikken i sådanne enheder. Arbejdet er et samarbejde, der involverer forskere ved Center for Quantum Technologies (CQT) og Institut for Fysik ved National University of Singapore (NUS), SUTD og ved University of Augsburg i Tyskland. Resultaterne blev offentliggjort i det peer-reviewede tidsskrift npj Kvanteinformation den 1. maj.

Motorer og køleskabe er begge maskiner beskrevet af termodynamik, en gren af ​​videnskaben, der fortæller os, hvordan energi bevæger sig i et system, og hvordan vi kan udvinde nyttigt arbejde. En klassisk motor gør energi til nyttigt arbejde. Et køleskab virker på at overføre varme, reduktion af den lokale temperatur. De er, i nogle forstand, modsætninger.

Folk har lavet små varmemotorer, før de brugte et enkelt atom, et enkelt molekyle og defekter i diamant. En vigtig forskel ved denne enhed er, at den viser kvante i sin handling. "Vi ønsker at forstå, hvordan vi kan bygge termodynamiske enheder med kun nogle få atomer. Fysikken er ikke godt forstået, så vores arbejde er vigtigt for at vide, hvad der er muligt, " siger Manas Mukherjee, Principal Investigator hos CQT, NUS, der ledede det eksperimentelle arbejde.

Forskerne studerede termodynamikken af ​​et enkelt bariumatom. De udtænkte et skema, hvor lasere flytter en af ​​atomets elektroner mellem to energiniveauer som en del af en cyklus, får noget energi til at blive skubbet ind i atomets vibrationer. Ligesom en bilmotor bruger benzin for både at flytte stemplerne og lade sit batteri op, atomet bruger energi fra lasere som brændstof til at øge sin vibrerende bevægelse. Atomets vibrationer virker som et batteri, lagre energi, som kan udvindes senere. Omarranger cyklussen, og atomet fungerer som et køleskab, fjerner energi fra vibrationerne.

I begge driftsformer, kvanteeffekter viser sig i sammenhænge mellem atomets elektroniske tilstande og vibrationer. "På denne skala, energioverførslen mellem motoren og lasten er en smule uklar. Det er ikke længere muligt blot at arbejde på belastningen, du er forpligtet til at overføre noget varme, " siger Poletti. Han udarbejdede teorien sammen med samarbejdspartnere Jiangbin Gong ved NUS Physics og Peter Hänggi i Augsburg. Uklarheden gør processen mindre effektiv, men eksperimentalisterne kunne stadig få det til at fungere.

Mukherjee og kolleger Noah Van Horne, Dahyun Yum og Tarun Dutta brugte et bariumatom, hvorfra en elektron (en negativ ladning) fjernes. Dette gør atomet positivt ladet, så det lettere kan holdes stille inde i et metalkammer af elektriske felter. Al anden luft fjernes fra omkring den. Atomet bliver derefter zappet med lasere for at bevæge det gennem en fire-trins cyklus.

Forskerne målte atomets vibration efter at have anvendt 2 til 15 cyklusser. De gentog et givet antal cyklusser op til 150 gange, måler i gennemsnit, hvor meget vibrationsenergi der var til stede i slutningen. De kunne se vibrationsenergien stige, når atomet blev zappet med en motorcyklus, og faldende, når zapsene fulgte køleskabscyklussen.

At forstå den atomstore maskine involverede både komplicerede beregninger og observationer. Holdet skulle spore to termodynamiske mængder kendt som ergotropi, som er den energi, der kan omdannes til nyttigt arbejde, og entropi, som er relateret til uorden i systemet. Både ergotropi og entropi øges, når atommaskinen kører. Der er stadig en enkel måde at se det på, siger førsteforfatter og ph.d. studerende Van Horne, "Løst sagt, vi har designet en lille maskine, der skaber entropi, da den er fyldt op med fri energi, ligesom børn, når de får for meget sukker."