Немецким физикам удалось превратить единичный ион кальция в двигатель атомарного размера. Как и все двигатели, он преобразует тепловую энергию в кинетическую, но при этом одновременно выполняет и функцию рабочего тела. В роли охладителя выступает лазерный луч, а флуктуации электрического поля действуют как источник энергии.
В 1959 году Ричард Фейнман предположил, что единичный атом можно превратить в тепловой двигатель, используя его гармонические колебания как квантовый эквивалент механической работы. Более чем полвека эта концепция оставалась сугубо теоретической. Сложно было не только научиться управлять колебаниями отдельного атома, но и произвести необходимые измерения, доказывающие успешную реализацию идеи.
В апрельском номере журнала Science была опубликована статья, в которой исследователи из Института квантовой оптики общества Макса Планка, университета Майнца, университета Касселя и Эрлангенского университета нашли способ решить обе проблемы.
Они превратили нейтральный атом кальция в заряженный ион, который поместили в квадрупольную ионную ловушку, а затем стали периодически менять напряжение на её электродах.
Привычные нам двигатели макромира преобразуют тепловую энергию в механическую работу, но используют для этого множество частиц. Одноатомный двигатель работает по принципу «всё в одном». На первом такте рабочего цикла под действием внешнего электрического поля потенциальная энергия запертого в ловушке иона увеличивается, и он немного смещается в осевом направлении. На втором такте он охлаждается лазерным лучом, теряет энергию и возвращается обратно, после чего цикл повторяется.
Используя циклические изменения электрического поля и постоянное охлаждение лазером с длиной волны 397 нм, исследователям удалось заставить ион совершать периодические колебания. Мощность одноатомного двигателя составила 3,4 × 10-22 Вт. По результатам косвенных измерений полученный КПД составил всего 0,28%, однако здесь куда важнее демонстрация самого принципа.
Проверить, что ион кальция действительно работает как атомарный двигатель, удалось с помощью измерений амплитуды его колебаний. Для этого физики записали серию флуоресцентных снимков с помощью сверхбыстрой камеры ICCD (Intensified Charged Couple Device) с выдержкой всего в 700 нс.
Потенциальная область применения одноатомных двигателей достаточно велика. Их можно использовать в наноконструировании, как одноионные холодильники или тепловые насосы, поскольку процесс может быть инвертирован. Однако наиболее вероятным сейчас представляется использование не столько самого «двигателя», сколько описанной методики его создания для изучения квантовых эффектов термодинамики.
Интересна и закулисная часть этой научной работы. Впечатляющее достижение объединённой команды физиков было выполнено на средства для проекта «Атомный наноассемблер», финансируемый фондом Volkswagen. В немецком автоконцерне давно разрабатывают способы дальнейшего снижения рабочей температуры двигателей и возлагают большие надежды на исследования термодинамических квантовых эффектов. В теории их использование позволит выйти за рамки существующих ограничений и не просто повысить КПД обычных двигателей, но и создать принципиально новые.