Physiker entwickeln den kleinsten Motor der Welt

23.08.2019 - Irland

Theoretische Physiker am Trinity College Dublin gehören zu einer internationalen Kooperation, die den kleinsten Motor der Welt gebaut hat - der als einziges Calcium-Ion etwa zehn Milliarden Mal kleiner ist als ein Automotor.

Die Arbeiten der QuSys-Gruppe von Professor John Goold an der Trinity's School of Physics beschreiben die Wissenschaft hinter diesem winzigen Motor. Die in der internationalen Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie erklärt, wie sich zufällige Schwankungen auf den Betrieb von mikroskopischen Maschinen auswirken. In Zukunft könnten solche Geräte in andere Technologien integriert werden, um Abwärme zu recyceln und damit die Energieeffizienz zu verbessern.

Der Motor selbst - ein einzelnes Kalziumion - wird elektrisch aufgeladen, so dass es leicht ist, mit Hilfe von elektrischen Feldern zu fangen. Die Arbeitssubstanz des Motors ist der "intrinsische Spin" des Ions (sein Drehimpuls). Dieser Spin wird verwendet, um die von Laserstrahlen absorbierte Wärme in Schwingungen oder Vibrationen des eingeschlossenen Ions umzuwandeln.

Diese Vibrationen wirken wie ein "Schwungrad", das die vom Motor erzeugte Nutzenergie einfängt. Diese Energie wird in diskreten Einheiten gespeichert, die als "Quanten" bezeichnet werden, wie von der Quantenmechanik vorhergesagt.

"Das Schwungrad ermöglicht es uns, zum ersten Mal die Leistung eines Motors im atomaren Maßstab zu messen und einzelne Energiequanten aufzulösen", sagt Dr. Mark Mitchison von der QuSys-Gruppe bei Trinity und einer der Co-Autoren des Artikels.

Das Team beobachtete den kleinen Motor, der das Schwungrad aus der Ruhe - oder genauer gesagt aus seinem "Grundzustand" (der niedrigsten Energie der Quantenphysik) - zwang, immer schneller zu laufen. Entscheidend war, dass der Zustand des Ions im Experiment zugänglich war, so dass die Physiker den Energiedepositionsprozess genau beurteilen konnten.

Assistant Professor in Physics an der Trinity, sagte John Goold: "Dieses Experiment und diese Theorie läutet eine neue Ära der Erforschung der Energetik von Technologien ein, die auf der Quantentheorie basiert, die ein Thema im Mittelpunkt der Forschung unserer Gruppe steht. Wärmemanagement im Nanobereich ist einer der grundlegenden Engpässe für schnelleres und effizienteres Rechnen. Das Verständnis, wie die Thermodynamik in solchen mikroskopischen Situationen angewendet werden kann, ist für Zukunftstechnologien von größter Bedeutung."

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