Двигатели тепла везде — в турбинах пара электростанции, освещающих Ваш район, двигатель внутреннего сгорания, управляющий Вашим автомобилем и двигателями, выдвигающими пассажирские реактивные самолеты через небо. Как правило, они весят тонну или более за штуку, нагреваясь и охлаждая некоторый триллион триллиона (не, это не опечатка!) молекулы для производства энергии. Теперь, физики в Германии сделали то, что могло быть самым маленьким двигателем тепла в мире, использующим просто единственную частицу: ион кальция.Новое устройство делает слишком маленькую энергию снабдить нас энергией в ближайшее время.
Но Джейкоб Тейлор, физик в Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсбурге, Мэриленд, говорит, что это обеспечивает экспериментальные данные для «тихой революции” в статистической физике, исследовании как тепловые потоки и в микроскопических системах и в масштабе повседневной жизни.Любой двигатель тепла преобразовывает тепловую энергию (тепло) в механическую энергию (движение). Среда некоторого вида, обычно газ, тянет тепло из горячего органа — или ванна — чтобы сделать механическую работу, такую как перемещение поршня. Это тогда устраивает демпинг любого неиспользованного тепла в холодную ванну.
В последней работе, выполненной физиком Килиэном Сингером из университета Майнца в Германии и коллег, ион кальция удваивается и как рабочая среда и как поршень; электрический шум обеспечивает горячую ванну и лазерный луч холодная ванна.Для создания их двигателя исследователи сначала приложили ион (кальциевый атом с одним удаленным электроном) в воронкообразной электрической западне 8 миллиметров длиной, созданной четырьмя электродами.
Они тогда нагревают его с шумом, сгенерированным другим набором электродов. Шум — беспорядочно колеблющееся электрическое поле — передает энергию иону, заставляя его шевелиться назад и вперед в западне и переместиться к широкому концу трубы, заставляя энергию двигателя погладить. Шум тогда выключен, и ион кальция замедляется. Это охлаждается после столкновения с частицами света от лазерного луча, постоянно сияющего через западню трубы.
Это охлаждение сдерживает ион к узкому концу западни, где электрическая область является самой сильной. Тогда цикл начинается снова.Дж.
Росснэгель и др., университет Йоханнеса Гутенберга, Майнц, ГерманияВ новом двигателе ион кальция преобразовывает тепло для движений, когда это поражено шумом, прибывающим из ряда электродов. Когда шум останавливается, слайды иона назад в его стартовую позицию, и процесс начинается снова.Путем включения шума и прочь при просто правильном уровне, исследователи могут настроить двигатель так, чтобы частота изменчивого движения иона точно соответствовала естественной частоте колебания западни.
Когда это происходит, путешествия иона еще дальше вдоль трубы от одного цикла до следующего — как колебание детской площадки, становящееся выше и выше, если Вы выдвигаете его в только правильный момент в каждом цикле. Результатом является своего рода маховое колесо, постепенно создающее полезную энергию.В настоящее время бригада устраивает демпинг той энергии, позволяя другому лазеру абсорбировать его. Певец говорит, что это могло быть потенциально выявлено для приведения в действие крошечной электрической образующей, несмотря на то, что сумма включила — приблизительно 10-24 джоуля за цикл — являются столь крошечными, что миллиарды единственных ионных двигателей были бы необходимы для производства полезной энергии.
Управление всеми теми двигателями параллельно потребовало бы радикально нового вида интегральной схемы вместо большого оборудования, используемого в текущем эксперименте.Вместо этого Певец говорит, основная цель текущей работы состоит в том, чтобы «доказать законность термодинамики в режиме единственного атома». Он говорит значения для энергии и эффективности двигателя — прежний вычислил от числа, и частота фононов иона (вибрационная механическая энергия) — очень близко к тому, в какой теории говорится, что они должны быть.
Питер Стинекен, физик в Дельфтском Технологическом университете в Нидерландах, говорит, что немецкая группа обеспечивает «убедительное доказательство» для того, что построила единственный ионный двигатель. Он добавляет, что работа «обеспечивает способ изучить окончательные и фундаментальные пределы применения двигателей тепла».
Но он соглашается, что практические применения трудно предусмотреть.Тейлор говорит, что будет интересно видеть, как механическое квантом поведение крошечных двигателей тепла отличается от «классической» физики, управляющей знакомыми двигателями.
Текущее устройство принимает приблизительно 1 000 фононов за цикл от шума — крохотная сумма энергии, но все еще «о факторе 1 000» слишком высоко для ученых для наблюдения реальных квантовых явлений говорит он. «В то время как эксперимент является красивой демонстрацией того, как единственный атом может использоваться в качестве двигателя тепла», говорит Тейлор, «существует все еще существенная работа для движения, пока отклонения от классической термодинамики не могут быть замечены».