أول محرك كهربائي نانو

اقترح علماء النظريات الألمان من جامعة أوغسبورج نموذجًا أصليًا لمحرك كهربائي يعمل وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم. يطبق مجال مغنطيسي تناوب خارجي محدد خصيصًا على ذرتين موضوعة في شبكية بصرية على شكل حلقة عند درجة حرارة منخفضة جدًا. تبدأ إحدى الذرات ، التي أطلق عليها العلماء "الناقل" ، التحرك على طول الشبكة الضوئية ، وبعد أن تصل فترة من الزمن إلى سرعة ثابتة ، تلعب الذرة الثانية دور "بداية" - بفضل التفاعل معها ، يبدأ "الناقل" في حركته. الهيكل كله يسمى محرك ذري الكم.

تم تصميم وعرض أول محرك كهربائي عام 1827 من قبل الفيزيائي الهنغاري Agnos Jedlic. يؤدي تحسين العمليات التكنولوجية المختلفة إلى تصغير الأجهزة المختلفة ، بما في ذلك أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية أو المغناطيسية إلى طاقة ميكانيكية. بعد 200 عام تقريبًا من إنشاء أول محرك كهربائي ، وصلت أحجامها إلى عتبة الميكرومتر وتدخلت إلى منطقة النانومتر.

تم اقتراح وتنفيذ واحد من العديد من مشاريع المحركات الكهربائية الصغيرة / النانوية بواسطة علماء أمريكيين في عام 2003 في مقالة كتبها مشغلات الدوران المستندة إلى أنابيب الكربون النانوية ، التي نشرت في مجلة Nature.

التين. 1. محرك الكم الذري. توجد ذرتان مختلفتان للغاية (الكرات البنية والأزرق) في شبكية بصرية حلقية. انظر النص للحصول على التفاصيل. التين. من المادة قيد المناقشة في فيز. القس بادئة رسالة.

التين. 2. رسم تخطيطي لمحرك nanoelectric. أ. يتم تثبيت لوحة الدوار المعدنية (R) على أنابيب الكربون متعددة الجدران. يتم التلامس الكهربائي مع الطائرة الدوار من خلال أنابيب الكربون النانوية والمراسي (A1 ، A2). تلعب ثلاثة أقطاب ثابتة (S1 ، S2 ، S3) الموجودة على طبقة من أكسيد السيليكون SiO2 دور عناصر التحكم لدوران الدوار - يتم تزويدها بجهد كهربائي مستقل عن بعضها البعض. ب. صورة محرك كهربائي مصنوع باستخدام مجهر مسح إلكتروني. طول شريط النطاق 300 نانومتر. التين. من المادة المحركات الدوارة على أساس أنابيب الكربون النانوية في الطبيعة

يوجد على أنبوب نانوي كربوني متعدد الجدران صفيحة مسطحة من المعدن R تلعب دور الدوار (الشكل 2). يتم تركيب الأنابيب النانوية على مذيعين موصلين كهربائياً A1 و A2. يقع الدوار بين الأقطاب الثلاثة - stators S1 و S2 و S3. من خلال تطبيق جهد خاص على الدوار وثلاثة أجهزة ثابتة ، يمكن التحكم في اتجاه وسرعة دوران اللوحة المعدنية. يعمل الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران في هذا التصميم ، أولاً ، على أنها وصلة كهربائية لتزويد الدوار ، وثانياً ، بإبزيم ميكانيكي للدوار.

في الآونة الأخيرة ، اقترح علماء الفيزياء النظرية من ألمانيا في مقال بقلم AC Atventum Atomic Quantum Motor ، الذي نشر في مجلة Physical Review Letters ، نموذجًا لمحرك له أبعاد ميكرومتر ويعمل على قوانين ميكانيكا الكم. يتكون المحرك من جزيرين متفاعلين - ذرتان تقعان في الشبكة الضوئية الحليقة وتقع عند درجة حرارة منخفضة جدًا (الشكل 1). تعتبر الشبكة الضوئية بمثابة مصيدة لهذه الذرات الفائقة البرودة (مع درجات حرارة حسب الميلي أو الدرجات الصغرى) تم إنشاؤها بواسطة أشعة الليزر المتداخلة.

الذرة الأولى هي "الحاملة" (الكرة البنية في الشكل 1) ، والذرة الثانية هي "البداية" (الكرة الزرقاء). في البداية ، لا يتم تحفيز الجزيئات وتوجد في قاع بئر الطاقة في الشبكة (عند المستوى بأقل قيمة طاقة ممكنة). يتم تطبيق مجال مغنطيسي خارجي متغير (إشارة تحكم) على الشبكة البصرية ، والتي تؤثر على "الناقل" ولا تؤثر على "البداية". يتم بدء تشغيل هذا المحرك ، الذي يبدأ منه "الناقل" بحركته الدائرية في الشبكة الضوئية ، من خلال التفاعل مع جسيم آخر - "بداية".

وجود ذرة "بداية" في مثل هذا الجهاز ضروري للتشغيل الكامل للمحرك الكمومي.إذا لم يكن هناك جسيم ثانٍ ، فلن تتمكن ذرة الموجة الحركية من بدء حركتها الموجهة على طول الشبكة البصرية. أي أن مهمة ذرة "البدء" هي بدء تشغيل هذا المحرك ومنحه بداية. في الواقع ، هذا هو اسم الجسيم الثاني. بعد مرور بعض الوقت ، يصل "الموجة الحاملة" ، التي تخضع فعليًا لإشارة متناوبة في شكل مجال مغناطيسي خارجي ، إلى ذروتها - تصل السرعة الذرية إلى الحد الأقصى وتبقى ثابتة في المستقبل.

الآن بضع كلمات حول شروط التشغيل الفعال لهذا المحرك الذري الكم. أظهرت الأبحاث النظرية التي أجراها علماء ألمان أن مجال مغناطيسي خارجي بالتناوب يجب أن يتكون من عنصرين متناسقين مع اتساع معين مع بعض التحول في الطور بينهما. يلعب هذا التحول في الطور بين المكونات دورًا رئيسيًا في المحرك - فهو يتيح لك التحكم في المحرك ، أي تغيير سرعة واتجاه حركة "الناقل". إذا تم استخدام إشارة توافقية بسيطة وتغير المجال المغناطيسي في الوقت المناسب ، على سبيل المثال ، وفقًا لقانون الجيب ، فيمكن أن يتحرك "الناقل" على قدم المساواة في الشبكة الضوئية في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة ، وسيكون من المستحيل التحكم في اتجاه وسرعة حركته. في التين. يوضح الشكل 3 رسمًا بيانيًا يمثل سرعة واتجاه دوران "الموجة الحاملة" كدالة لفرق الطور في التوافقيين ، محسوبًا باستخدام مناهج ميكانيكية كمومية مختلفة.

التين. 3. اعتماد سرعة حركة ذرة "الموجة الحاملة" على اختلاف طور التوافقيات (المكونات) ومجال التحكم المغنطيسي ، محسوبة بطريقتين ميكانيكيتين مختلفتين (الخط الصلب الأحمر والخط المتقطع الأسود). قيمة السرعة السلبية تتوافق مع اتجاه مختلف للدوران. تقاس سرعة الموجة الحاملة بوحدات ذات سرعة مميزة v0. التين. من المادة قيد المناقشة في فيز. القس بادئة رسالة.

يُلاحظ أن السرعة "الحاملة" القصوى ستلاحظ عندما يكون فرق الطور π / 2 و 3π / 4. تعني القيمة السلبية للسرعة أن الذرة ("الحامل") تدور في الاتجاه المعاكس. بالإضافة إلى ذلك ، كان من الممكن إثبات أن سرعة ذرة "الموجة الحاملة" ستصل إلى قيمتها الثابتة فقط عندما يكون عدد العقد في الشبكة الضوئية أكبر من أو تساوي 16 (انظر الشكل 3 ، عدد العقد هو ، تقريبًا ، عدد العبور بين "التلال"). لذلك ، في التين. 3 ، يتم حساب اعتماد "الناقل" السرعة على اختلاف الطور لمدة 16 عقدا من الشبكة البصرية.

من أجل أن يسمى الجهاز الموصوف هنا بأنه محرك كامل ، لا يزال من الضروري معرفة كيف يعمل تحت تأثير أي حمل. في المحرك التقليدي ، يمكن وصف حجم الحمل بأنه لحظة أي قوى أو قوى خارجية. تؤدي الزيادة في الحمل إلى انخفاض في سرعة دوران المحرك ، مع زيادة أخرى في وقت القوى ، يمكن للمحرك أن يبدأ في التدوير في اتجاه متزايد مع زيادة السرعة. إذا غيرت اتجاه تطبيق عزم الدوران ، فإن زيادة الحمل ستؤدي إلى زيادة في سرعة المحرك. في أي حال ، من المهم أن تؤدي الزيادة المستمرة السلسة في الحمل إلى نفس التغيير السلس والمستمر في سرعة المحرك. يمكننا القول أن اعتماد سرعة الدوران على حجم حمل المحرك هو وظيفة مستمرة.

الوضع مختلف تماما مع محرك ذري الكم. أولاً ، هناك العديد من القيم المحظورة لعزم القوى الخارجية التي لن يعمل فيها المحرك الكمومي - ستكون سرعة "الموجة الحاملة" صفرية (ما لم يتم استبعاد الحركة الحرارية للذرة بالطبع). ثانياً ، مع زيادة قيم الحمل المسموح بها ، تتصرف سرعة المحرك بطريقة غير صوتية: تؤدي الزيادة في لحظة القوى أولاً إلى زيادة في سرعة "الناقل" ، ثم إلى انخفاضه ، ثم إلى تغيير في اتجاه دوران الذرة مع زيادة متزامنة في سرعة الحركة.بشكل عام ، فإن اعتماد سرعة "الناقل" على قيمة الحمل سيكون وظيفة منفصلة ، والتي لها أيضًا خصائص كسورية. تعني خاصية الانكسار أن السلوك الموصوف أعلاه للمحرك الذري الكمومي سوف يتكرر في نطاق تمدد منتظم من قيم الحمل.

تقترح المقالة أيضًا مخططًا للتنفيذ العملي لهذا المحرك الذري الكمومي. للقيام بذلك ، يمكنك استخدام ذرة "بداية" غير مشحونة وذرة "حاملة" مؤينة (الخيار الأول) ، أو "بداية" يمكن أن تكون جسيمًا ذو تدور صفري ، ويمكن أن يكون "الناقل" ذرة ذات تدور غير صفري (الخيار الثاني). في الحالة الأخيرة ، يقترح المؤلفون استخدام نظائر الإيتربيوم 174Yb مع تدور صفري (أي البوزون) ونظيره 171Yb مع سبين نصف عدد صحيح (fermion) أو 87Rb ، والمعروف باسم المادة الخاصة بتكثيف Bose-Einstein الأول ، و fermion 6Li. على سبيل المثال ، إذا تم استخدام ذرة الليثيوم كـ "حامل" ، فسيكون ثابت الشبكة الشبكية الضوئية لبعض معلمات المحرك الإضافية الأخرى (على وجه الخصوص ، عمق بئر الطاقة في الشبكة الضوئية وكتلة الذرات) 10 ميكرومتر ، وتكرار مجال التحكم أقل من 2 هرتز. في هذه الحالة ، سيصل المحرك الذري الكمومي إلى "ذروة القوة" (تصبح سرعة "الناقل" ثابتة) في دقيقة واحدة. مع انخفاض فترة الشبكة البصرية ، يصل الجهاز إلى أقصى طاقة له بعد 10 ثوانٍ.

لقد نجح المجربون بالفعل في الرد على مقال نشر من قبل منظرين ألمان. وهم يعتقدون أن وضع ذرتين مأخوذة بشكل منفصل في مثل هذا المصفوفة الضوئية الحلقي هو تقنيًا ، ربما ، حقيقي ، لكنه صعب جدًا. بالإضافة إلى ذلك ، ليس من الواضح كيفية استخراج العمل المفيد من هذا المحرك. لذلك من غير المعروف ما إذا كان سيتم تنفيذ مشروع مثل هذا المحرك الذري الكمومي أو ما إذا كان سيبقى نموذجًا جميلًا على الورق من قبل علماء النظريات.

المصدر: A. V. Ponomarev، S. Denisov، P. Hänggi. محرك يحركه الكم الذري AC / Phys. القس بادئة رسالة. 102 ، 230601 (2009).

انظر أيضا: ميناتو موتور المغناطيسي