Die theoretischen Physiker von Trinity gehören zu einer internationalen Zusammenarbeit, die den kleinsten Motor der Welt gebaut hat – der als einzelnes Kalziumion etwa zehn Milliarden Mal kleiner ist als ein Automotor.
Arbeit durchgeführt von Professor John GooldQuSys-Gruppein Trinity’s School of Physics beschreibt die Wissenschaft hinter diesem winzigen Motor.
Die Forschung,veröffentlichtin der internationalen ZeitschriftBriefe zur körperlichen Untersuchungerklärt, wie sich zufällige Schwankungen auf den Betrieb mikroskopischer Maschinen auswirken. Zukünftig könnten solche Geräte in andere Technologien integriert werden, um Abwärme zu recyceln und so die Energieeffizienz zu verbessern.
Das bahnbrechende Experiment wurde von aForschungsgruppeled by Professor Ferdinand Schmidt-Kaler and Dr. Ulrich Poschinger of Johannes Gutenberg University in Mainz, Germany.
Der Motor selbst – ein einzelnes Kalziumion – ist elektrisch geladen, was das Einfangen mithilfe elektrischer Felder erleichtert. Die Arbeitssubstanz des Motors ist der dem Ion innewohnende „Spin“ (sein Drehimpuls). Dieser Spin wird verwendet, um die von Laserstrahlen absorbierte Wärme in Schwingungen oder Vibrationen des eingefangenen Ions umzuwandeln.
Diese Vibrationen wirken wie ein „Schwungrad“, das die vom Motor erzeugte Nutzenergie auffängt. Diese Energie wird in diskreten Einheiten gespeichert, die „Quanten“ genannt werden, wie von der Quantenmechanik vorhergesagt.
„Das Schwungrad ermöglicht es uns zum ersten Mal, tatsächlich die Leistungsabgabe eines Motors im atomaren Maßstab zu messen und dabei einzelne Energiequanten aufzulösen“, sagte Dr. Mark Mitchison von der QuSys-Gruppe bei Trinity und einer der Co-Autoren des Artikels.
Das Team startete das Schwungrad aus dem Ruhezustand – oder genauer gesagt aus seinem „Grundzustand“ (der niedrigsten Energie in der Quantenphysik) – und beobachtete, wie der kleine Motor das Schwungrad dazu zwang, immer schneller zu laufen. Entscheidend war, dass der Zustand des Ions im Experiment zugänglich war, sodass die Physiker den Energiedepositionsprozess genau beurteilen konnten.
John Goold, Assistenzprofessor für Physik am Trinity College, sagte: „Dieses Experiment und diese Theorie läuten eine neue Ära für die Untersuchung der Energetik von Technologien auf der Grundlage der Quantentheorie ein, einem Thema, das im Mittelpunkt der Forschung unserer Gruppe steht. Wärmemanagement am.“nanoskaligist einer der grundlegenden Engpässe für schnelleres und effizienteres Rechnen. Zu verstehen, wie Thermodynamik in solchen mikroskopischen Umgebungen angewendet werden kann, ist für zukünftige Technologien von größter Bedeutung.“
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Die QuSys-Gruppe von Professor Goold wird durch einen kürzlich verliehenen ERC Starting Grant und ein Forschungsstipendium der SFI-Royal Society University unterstützt.
Das bahnbrechende Experiment wurde von einer Forschungsgruppe um Professor Ferdinand Schmidt-Kaler und Dr. Ulrich Poschinger von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz durchgeführt.
Referenzen: „Spin Heat Engine Coupled to a Harmonic-Oscillator Flywheel“ von D. von Lindenfels, O. Gräb, C. T. Schmiegelow, V. Kaushal, J. Schulz, Mark T. Mitchison, John Goold, F. Schmidt-Kaler und U. G. Poschinger, 22. August 2019,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.080602
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