Vědci vyvinuli tepelný stroj, který vyrábí a ukládá energii díky jedinému atomu

Výzkumníci z univerzitního týmu QUANTUM work group k sestrojení tohoto nejmenšího motoru na světě využili speciální iontové pasti s názvem “Paul trap”, což je zařízení, které drží v omezené oblasti prostoru elektricky nabité částice pomocí přesné kombinace elektrických polí.

V této pasti o rozměrech 8x4 milimetry, vybavené zlatými destičkami a elektrodami, vědci uzavřeli iont vápníku 40 a pomocí vnějšího tepelného působení v rámci jakéhosi tepelného cyklu (analogického tepelným cyklům u makroskopických tepelných strojů či motorů) jej donutili konat mechanickou práci. Elektricky spoutaný iont vápníku 40 byl střídavě jednak zahříván pomocí elektronicky (laserem) generovaného šumu a vzápětí chlazen na druhém konci pasti pomocí druhého laserového paprsku.

Následkem toho iont v pasti začal výrazně kmitat, začal tedy vykonávat periodický pohyb “sem a tam”, podobně jako píst ve spalovacím motoru. Příslušný výkon činil 3.4x10-22 wattů při účinnosti stroje 30%, což zhruba odpovídá účinnosti benzínového spalovacího motoru v dnešních autech. Podobné je také množství energie, spojené s jednotlivými částicemi plynu v motoru auta, vzhledem k jejich hmotnosti.

Konstrukce kvantového motoru přitom stála jen několik stovek euro, pokud jde o součástky. Několik let však trval vývoj speciální elektroniky a systému pro jemné řízení dynamiky kmitání vápníkového iontu. Celý rok si vyžádalo pouze úsilí, zaměřené na sestrojení přesného a rychlého teploměru, měřícího teplotu nanomotoru.

Motor na bázi vápníkového iontu však je schopen nejen s určitým výkonem konat mechanickou práci, ale umí navíc skladovat energii. Tým německých vědců se dále bude zabývat úkoly, jak tento “atomový motor” zdokonalit, tj. zvýšit jeho účinnost nad meze klasických tepelných strojů, a také jak jej bude možné využít.

Kvantový tepelný motor|foto: AG QUANTUM, JGU

Podle jednoho z vůdčích autorů příslušné studie, zveřejněné v časopisu Science, Johannese Rossnagela bude možné na stejném principu vyrobit i elementární nanoskopickou chladničku, a to stejně jako v případě běžných makroskopických chladících zařízení - pouhým obrácením tepelného cyklu, kterému je vápníkový iont vystaven.

Hlavním cílem této práce však bylo prozkoumat principy aplikované kvantové termodynamiky na této základní částicové úrovni a možnosti konstrukce nových typů motorů či strojů na této úrovni minimálních rozměrů. Na tomto principu je možno si např. představit chladící systém elektronických mikročipů nebo tranzistory vyrobené z jednoho atomu.

Princip iontové pasti (Paul trap)

Zdroje: ScienceDaily, Interesting Engineering, Futurism, Inverse, Science Magazine 1, Science Magazine 2, Science News, Physical Review Letters, Popular Mechanics, QUANTUM work group, Youtube