Primer motor nanoeléctrico

Los teóricos alemanes de la Universidad de Augsburgo han propuesto un modelo original de un motor eléctrico que funciona según las leyes de la mecánica cuántica. Se aplica un campo magnético alterno externo especialmente seleccionado a dos átomos colocados en una red óptica en forma de anillo a una temperatura muy baja. Uno de los átomos, que los científicos llamaron el "portador", comienza a moverse a lo largo de la red óptica y después de un tiempo alcanza una velocidad constante, el segundo átomo desempeña el papel de un "iniciador", gracias a la interacción con él, el "portador" comienza su movimiento. Toda la estructura se llama motor atómico cuántico.

El primer motor eléctrico en funcionamiento fue diseñado y demostrado en 1827 por el físico húngaro Agnos Jedlic. La mejora de diversos procesos tecnológicos conduce a la miniaturización de varios dispositivos, incluidos los dispositivos para convertir la energía eléctrica o magnética en energía mecánica. Casi 200 años después de la creación del primer motor eléctrico, sus tamaños alcanzaron el umbral del micrómetro y entraron en la región del nanómetro.

Uno de los muchos proyectos de motores eléctricos de micro / nanoescala fue propuesto e implementado por científicos estadounidenses en 2003 en un artículo de actuadores rotativos basados ​​en nanotubos de carbono, publicado en Nature.

Fig. 1. Motor cuántico atómico. Dos átomos ultrafríos diferentes (bolas marrones y azules) están en una red óptica anular. Vea el texto para más detalles. Fig. del artículo en discusión en Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Dibujo esquemático de un motor nanoeléctrico. a. La placa de rotor de metal (R) está montada en un nanotubo de carbono de paredes múltiples. El contacto eléctrico con el plano del rotor es a través de un nanotubo de carbono y anclajes (A1, A2). Tres electrodos de estator (S1, S2, S3) ubicados en un sustrato de SiO2 de óxido de silicio desempeñan el papel de elementos de control para la rotación del rotor: se les suministra voltaje eléctrico independientemente uno del otro. b. Imagen de un motor eléctrico hecho con un microscopio electrónico de barrido. La longitud de la barra de escala es de 300 nm. Fig. del artículo Actuadores rotacionales basados ​​en nanotubos de carbono en Nature

En un nanotubo de carbono de paredes múltiples, hay una lámina plana de metal R, que desempeña el papel de un rotor (Fig. 2). El nanotubo está montado en dos anclajes eléctricamente conductores A1 y A2. El rotor está ubicado entre los tres electrodos: los estatores S1, S2 y S3. Al aplicar un voltaje especial al rotor y tres estatores, es posible controlar la dirección y la velocidad de rotación de la placa de metal. El nanotubo de carbono de paredes múltiples en este diseño sirve, en primer lugar, como un puente eléctrico para suministrar corriente al rotor y, en segundo lugar, como una fijación mecánica del rotor.

Y recientemente, los físicos teóricos de Alemania en un artículo de ac-Driven Atomic Quantum Motor, publicado en la revista Physical Review Letters, propusieron un modelo de un motor del tamaño de un micrómetro que funciona según las leyes de la mecánica cuántica. El motor consta de dos partículas que interactúan: dos átomos ubicados en una red óptica anular y ubicados a una temperatura muy baja (Fig. 1). Una red óptica es una trampa para tales átomos ultrafríos (con temperaturas del orden de mili o microkelvinas) creadas por rayos láser interferentes.

El primer átomo es el "portador" (bola marrón en la Fig. 1), el segundo átomo es el "iniciador" (bola azul). Inicialmente, las partículas no están excitadas y se encuentran en el fondo del pozo de energía de la red (en el nivel con el valor de energía más bajo posible). Se aplica un campo magnético externo variable en el tiempo (señal de control) a la rejilla óptica, que afecta al "portador" y no al "arrancador". El arranque de este motor, como resultado de lo cual el "portador" comienza su movimiento circular en la red óptica, se lleva a cabo a través de la interacción con otra partícula: el "arrancador".

La presencia de un átomo "de arranque" en dicho dispositivo es necesaria para el funcionamiento completo del motor cuántico.Si no hubiera una segunda partícula, el átomo portador no podría comenzar su movimiento dirigido a lo largo de la red óptica. Es decir, la tarea del átomo "de arranque" es iniciar el arranque de este motor, para ponerlo en marcha. En realidad, de aquí proviene el nombre de la segunda partícula. Después de un tiempo, el "portador", ya bajo la acción de una señal alterna en forma de campo magnético externo, alcanza su potencia máxima: la velocidad atómica alcanza su máximo y permanece constante en el futuro.

Ahora algunas palabras sobre las condiciones para la operación efectiva de un motor atómico cuántico. La investigación teórica realizada por científicos alemanes mostró que un campo magnético alterno externo debería consistir en dos componentes armónicos con amplitudes dadas y con algún cambio de fase entre ellos. Este cambio de fase entre los componentes juega un papel clave en el motor: le permite controlar el motor, es decir, cambiar la velocidad y la dirección del movimiento del "transportista". Si se usara una señal armónica simple y el campo magnético cambiara en el tiempo, por ejemplo, de acuerdo con la ley senoidal, entonces el "portador" podría moverse igualmente en la red óptica en sentido horario o antihorario, y sería imposible controlar la dirección y la velocidad de su movimiento. En la fig. La Figura 3 muestra un gráfico que representa la velocidad y la dirección de rotación del "portador" en función de la diferencia de fase de los dos armónicos, calculada utilizando diferentes enfoques de mecánica cuántica.

Fig. 3. Dependencia de la velocidad de movimiento del átomo "portador" vc de la diferencia de fase de los armónicos (componentes) y el campo magnético de control, calculado por dos métodos cuánticos mecánicos diferentes (línea roja continua y línea discontinua negra). Un valor de velocidad negativo corresponde a una dirección de rotación diferente. La velocidad del portador se mide en unidades de alguna velocidad característica v0. Fig. del artículo en discusión en Phys. Rev. Lett.

Se ve que la velocidad máxima "portadora" se observará cuando la diferencia de fase sea π / 2 y 3π / 4. Un valor negativo de velocidad significa que el átomo ("portador") gira en la dirección opuesta. Además, fue posible establecer que la velocidad del átomo "portador" alcanzará su valor constante solo cuando el número de nodos de la red óptica sea mayor o igual a 16 (ver Fig. 3, el número de nodos es, en términos generales, el número de puentes entre "Colinas"). Entonces, en la fig. 3, la dependencia de la velocidad "portadora" de la diferencia de fase se calcula para 16 nodos de la red óptica.

Para que el dispositivo descrito aquí se denomine motor de pleno derecho, aún es necesario averiguar cómo funciona bajo la influencia de cualquier carga. En un motor convencional, la magnitud de la carga se puede describir como el momento de cualquier fuerza o fuerzas externas. Un aumento en la carga conduce a una disminución en la velocidad de rotación del motor, con un aumento adicional en el momento de las fuerzas, el motor puede comenzar a rotar en dirección creciente a medida que aumenta la velocidad. Si cambia la dirección de aplicación del par, entonces un aumento en la carga conducirá a un aumento en la velocidad del motor. En cualquier caso, es importante que un aumento continuo y suave de la carga produzca el mismo cambio suave y continuo en la velocidad del motor. Podemos decir que la dependencia de la velocidad de rotación de la magnitud de la carga del motor es una función continua.

La situación es completamente diferente con un motor atómico cuántico. En primer lugar, hay muchos valores prohibidos del momento de las fuerzas externas en las que el motor cuántico no funcionará: la velocidad del "portador" será cero (a menos, por supuesto, que se excluya el movimiento térmico del átomo). En segundo lugar, con un aumento en los valores de carga permitidos, la velocidad del motor se comporta de manera no monótona: un aumento en el momento de las fuerzas conduce primero a un aumento en la velocidad del `` portador '', luego a su disminución y luego a un cambio en la dirección de rotación del átomo con un aumento simultáneo en la velocidad de movimiento.En términos generales, la dependencia de la velocidad "portadora" de la magnitud de la carga será una función discreta que también tiene propiedades fractales. La propiedad de fractalidad significa que el comportamiento descrito anteriormente de un motor atómico cuántico se repetirá en un rango de valores de carga que se expande regularmente.

El artículo también propone un diagrama de la implementación práctica de este motor atómico cuántico. Para hacer esto, puede usar un átomo "iniciador" sin carga y un átomo "portador" ionizado (primera opción), o un "iniciador" puede ser una partícula con giro cero, y un "portador" puede ser un átomo con un giro distinto de cero (segunda opción). En el último caso, los autores proponen el uso de los isótopos de iterbio 174Yb con espín cero (es decir, el bosón) y su isótopo 171Yb con espín de medio entero (fermión) u 87Rb, conocido como el material para la primera condensación de Bose-Einstein, y el fermión 6Li. Por ejemplo, si se utiliza un átomo de litio como "portador", la constante de red óptica para algunos otros parámetros adicionales del motor (en particular, la profundidad del pozo de energía de la red óptica y la masa de átomos) debe ser de 10 μm, y la frecuencia del campo de control es inferior a 2 Hz. En este caso, el motor atómico cuántico alcanzará el "pico de potencia" (la velocidad del "portador" se vuelve constante) en 1 minuto. Con una disminución en el período de la rejilla óptica, el dispositivo alcanza su potencia máxima después de 10 segundos.

Los experimentadores ya han logrado responder a un artículo publicado por teóricos alemanes. Creen que poner dos átomos tomados por separado en una matriz óptica anular de este tipo es técnicamente, tal vez, real, pero muy difícil. Además, no está claro cómo extraer trabajo útil de dicho motor. Por lo tanto, no se sabe si el proyecto de un motor atómico cuántico se implementará o si los teóricos seguirán siendo un modelo hermoso en el papel.

Fuente: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Motor cuántico atómico accionado por corriente alterna // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Ver también: Motor magnético Minato