ç¯ å´Žæ„›â˜†å¯æ„›ã„オッãƒ'イåã
物理学者は、肉眼では見えないエンジンを開発しました。
本日ジャーナルに発表された論文で 科学 ドイツのマインツ大学とカッセル大学の研究チームは、単一の荷電したカルシウム-40原子を閉じ込めて振動させる電磁システムを作り、蒸気機関車や自動車のエンジンと同じようにエネルギーを生み出しました。そして、この小さなエンジンの量子力学的条件のために、物理学者はシステムが同じレベルで機能し、平均的な自動車エンジンよりもさらに効率的になり得ると信じています。
「50年代後半以降、エンジンの量子特性に関する理論的な説明や調査が数多く行われてきました」と、JoznesRoßnagelはマインツ大学の主任研究者であり実験物理学者です。 逆です。 「可能性があることを示しました」
Roßnagelと彼のチームは、4年前に熱力学における量子効果を探求したいと考えたときにこのプロジェクトに着手し、実験する最良の方法はエンジンを作ることであろうと考えました。彼らは数百ユーロの小さな予算ですべてをゼロから作らなければならなかった、と彼は言います。彼らは、パーソナライズされた電子機器と、非常に正確なレベルでイオンを制御できるシステムを構築しなければなりませんでした。温度測定値を取得するための手法を開発するためだけに1年かかりました。一般的な方法は、エンジンにとって遅すぎるまたは不正確です。
彼らがやって来たのは、電磁場の中に唯一のカルシウム原子（しかしどんな荷電原子でもその仕事をすることができる）を隔離する金プレートと電極を備えた長さ8ミリメートルと直径4ミリメートルのイオントラップでした。 2つのレーザーがトラップの端を指し、一方は原子を加熱し、もう一方はそれを冷却します。音波のように、温度のこの変動はイオンを駆動してますます高調波振動を作り出します。 Rossnagel氏によると、これは気体や液体を使って機械的な仕事を生み出す大型のサーマルエンジンと同じ考え方です。
シングルアトムエンジンは10〜22ワットしか生成できませんが、実際には自動車エンジンに匹敵しますが、Roßnagelは言います。平均的な自動車用エンジンの個々のガス粒子のエネルギー量を計算すると、モーターの出力は単一原子エンジンと同じ大きさになります。
「これは私たちにとって非常に驚くべきことでした」とRoßnagelは言います。 「これは、そのようなシステムを単一のパーティクルに縮小しても、マクロエンジンと同じレベルで実行されていることを意味します。」
彼と彼の同僚は、このレベルの効率は量子効果、単一の原子と粒子を通してのみ発生することができる独特の特性によるものであると信じています。 Roßnagel氏は、熱力学的量子効果によってエンジンが唯一のエネルギー源として温度に頼る必要がなくなることを説明し、単一原子エンジンの量子特性は熱エンジンよりもさらに多くの出力を生み出す可能性があると説明しています。しかし、外部の物理学者はそれほど確実ではありません。
カリフォルニア大学バークレー校の理論物理学者で、実験には関与していなかったHartmutHäffnerは、次のように述べています。 2014年にRoßnagelがエンジンに関する提案書を書いたとき。 Häffner氏は、潜在的な単原子エンジン自体が「非常に興味深く、非常によく説明されている」と付け加えます。私たちが熱力学について知っていることの境界を新しい体制に押し込もうとしています。」
Roßnagelと彼のチームが製作した単原子エンジンは、今日彼が知っている最小のエンジンです。それでも、単一の電子でさらに小さいものを作成する可能性がありますが、彼はそれを追求することに関心があるとは思わない。 「私たちはエンジン内を走っている単一の粒子を持っています、そしてこれがカルシウム原子であるか電子であるかにかかわらず、我々の研究の観点から、それは違いを生じません。」
次に、Roßnagelはこの技術を使って小さな冷蔵庫を作りたいと考えています。熱力学的サイクルを好転させることによって、単一原子エンジンはまさしく冷蔵庫のように動くであろう、と彼は説明します。それらのシステムは温度差を生み出し、加熱されている面と冷却されている面を作り出します。遠い将来、彼はこれらのナノスケールエンジンがチップと単原子トランジスタを改良するのを見ることができる。
「作業中に発生する熱は、チップ産業にとって非常に大きな問題です。私は手元に追加の冷却システムがあると非常に役立つと思います」と彼は言います。
Roßnagel氏は、当初のシングルアトムエンジンから何が生まれたのかにかかわらず、「将来的にはもっと優れたアプリケーションが見つかるだろう」と考えています。