Ny kvante -nanodeenhed kan samtidigt fungere som varmemotor og køleskab

En multitasking nanomaskine, der kan fungere som en varmemotor og et køleskab på samme tid, er blevet skabt af RIKEN -ingeniører. Enheden er en af ​​de første til at teste, hvordan kvanteeffekter, som styrer partiklers adfærd i den mindste skala, måske en dag blive udnyttet til at forbedre ydeevnen af ​​nanoteknologier.

Konventionelle varmemotorer og køleskabe fungerer ved at forbinde to puljer af væske. Komprimering af en pulje får dens væske til at varme op, mens den anden pool hurtigt ekspanderer, afkøler dens væske. Hvis disse operationer udføres i en periodisk cyklus, puljerne vil udveksle energi, og systemet kan bruges som enten varmemotor eller køleskab.

Det ville være umuligt at oprette en makroskala, der udfører begge opgaver samtidigt - og ingeniører ville heller ikke, siger Keiji Ono fra RIKEN Advanced Device Laboratory. "At kombinere en traditionel varmemotor med et køleskab ville gøre det til en helt ubrugelig maskine, "siger han." Det ville ikke vide, hvad de skulle gøre. "

Men tingene er anderledes, når man skrumper tingene ned. Fysikere har udviklet stadig mindre enheder, nogle gange baseret på enkelte atomer. På disse små skalaer, de skal redegøre for kvanteteorien - det mærkelige sæt love, der siger, for eksempel, en elektron kan eksistere to steder på samme tid eller have to forskellige energier. Fysikere udvikler nye teoretiske rammer og eksperimenter for at forsøge at finde ud af, hvordan sådanne systemer vil opføre sig.

Kvanteversionen af ​​varmemotoren anvender en elektron i en transistor. Elektronen har to mulige energitilstande. Teamet kunne øge eller formindske kløften mellem disse energitilstande ved at anvende et elektrisk felt og mikrobølger. "Dette kan være analogt med den periodiske ekspanderende -komprimerende drift af en væske i et kammer, "siger Ono, der ledede forsøget. Enheden udsendte også mikrobølger, da elektronen gik fra højenerginiveauet til det nederste.

Ved at overvåge, om det øvre energiniveau var besat, holdet demonstrerede først, at nanodelen kunne fungere enten som en varmemotor eller som et køleskab. Men så viste de noget meget fremmed - nanomaskinen kunne fungere som begge på samme tid, hvilket er en rent kvanteeffekt. Forskerne bekræftede dette ved at se på belægningen af ​​det øvre energiniveau, som kombineret til at skabe et karakteristisk interferensmønster. "Der var en næsten perfekt match mellem det eksperimentelle interferensmønster og det, der forudsiges af teori, "siger Ono.

"Dette kan muliggøre hurtig skift mellem de to driftsformer, "Ono forklarer." Denne evne kan hjælpe med at skabe nye applikationer med sådanne systemer i fremtiden. "