Предложен е модел на атомен квантов двигател

Германски теоретици от университета в Аугсбург предложиха оригинален модел на двигател, работещ по законите на квантовата механика. Специално подбрано външно променливо магнитно поле се прилага към два атома, поставени в пръстеновидна оптична решетка при много ниска температура. Един от атомите, който учените нарекоха "носител", започва движението си по оптичната решетка и след известно време достига постоянна скорост, вторият атом играе ролята на "стартер" - благодарение на взаимодействието с него "носителят" започва своето движение. Цялата структура беше наречена квантов атомен двигател.

Първият работещ електродвигател е проектиран и демонстриран през 1827 г. от унгарския физик Аньош Йедлик. Усъвършенстването на различни технологични процеси води до миниатюризиране на различни устройства, включително устройства за преобразуване на електрическа или магнитна енергия в механична. Почти 200 години след създаването на първия електродвигател, размерите им достигнаха границата на микрометъра и стъпиха в областта на нанометъра.

Върху многостенна въглеродна нанотръба има плосък лист метал R, който играе ролята на ротор (фиг. 2). Нанотръбата е фиксирана върху две електропроводими котви A1 и A2. Роторът е разположен между три електрода - статори S1, S2 и S3. Чрез прилагане на електрическо напрежение към ротора и три статора по специален начин е възможно да се контролира посоката и скоростта на въртене на металната плоча. Многостенната въглеродна нанотръба в този дизайн служи, първо, като електрически джъмпер за подаване на ток към ротора, и второ, като механично закрепване на ротора.

Първият атом е „носителят” (кафявата топка на фиг. 1), вторият атом е „стартерът” (синята топка). Първоначално частиците не се възбуждат и се намират на дъното на енергийния кладенец на решетката (на ниво с възможно най-ниска енергийна стойност). Върху оптичната решетка се прилага външно променливо във времето магнитно поле (управляващ сигнал), което въздейства на „носителя” и не въздейства на „стартера”.Изстрелванетона този двигател, в резултат на което "носителят" започва своето кръгово движение в оптичната решетка, се осъществява чрез взаимодействие с друга частица - "стартер".

Наличието на „стартерен“ атом в такова устройство е необходимо за пълното функциониране на квантовия двигател. Ако нямаше втора частица, тогава атомът "носител" не би могъл да започне насоченото си движение по оптичната решетка. Тоест задачата на „стартерния“ атом е да инициира стартирането на този двигател, да му даде старт. Всъщност оттам идва и името на втората частица. След известно време "носителят", вече под въздействието на променлив сигнал под формата на външно магнитно поле, достига пика на своята мощност - скоростта на атома достига своя максимум и след това остава постоянна.

Сега няколко думи за условията за ефективна работа на такъв квантов атомен двигател. Теоретичните изследвания на немски учени показват, че външното променливо магнитно поле трябва да се състои от две хармонични компоненти с дадени амплитуди и с известно фазово изместване между тях. Това фазово изместване между компонентите играе ключова роля в работата на двигателя - позволява ви да контролирате двигателя, тоест да променяте скоростта и посоката на „носителя“. Ако се използва прост хармоничен сигнал и магнитното поле се променя във времето, например според синусоидалния закон, тогава „носителят“ може да се движи по оптичния път с еднаква вероятност.решетка по или обратно на часовниковата стрелка и би било невъзможно да се контролира посоката и скоростта на нейното движение. На фиг. Фигура 3 показва графика, представяща скоростта и посоката на въртене на "носителя" като функция на фазовата разлика на два хармоника, изчислена с помощта на различни квантово-механични подходи.

Вижда се, че максималната скорост на "носителя" ще се наблюдава, когато фазовата разлика е равна на ?/2 и 3?/4. Отрицателна стойност на скоростта означава, че атомът ("носителят") се върти в обратна посока. Освен това беше възможно да се установи, че скоростта на атома „носител“ ще достигне постоянната си стойност само когато броят на възлите на оптичната решетка е по-голям или равен на 16 (вижте фиг. 3, броят на възлите е, грубо казано, броят на джъмперите между „хълмовете“). И така, на фиг. 3 е изчислена зависимостта на скоростта на "носителя" от фазовата разлика за 16 възела на оптичната решетка.

За да може описаното тук устройство да се нарече пълноправен двигател, е необходимо също така да разберете как работи под въздействието на каквото и да е натоварване. В конвенционален двигател големината на натоварването може да се опише като момент на някаква външна сила или сила. Увеличаването на натоварването води до намаляване на скоростта на въртене на двигателя, с по-нататъшно увеличаване на въртящия момент на силите, двигателят може да започне да се върти в обратна посока с увеличаване на скоростта. Ако промените посоката на прилагане на момента на силите, тогава увеличаването на натоварването ще доведе до увеличаване на скоростта на въртене на двигателя. Във всеки случай важното тук е, че плавното непрекъснато увеличаване на натоварването дава същата плавна и непрекъсната промяна в оборотите на двигателя. Можем да кажем, че зависимостта на скоростта на въртене от големината на натоварването на двигателя е непрекъсната функция.

Съвсем различно е сквантов атомен двигател. Първо, има много забранени стойности на момента на външните сили, при които квантовият двигател няма да работи - скоростта на "носителя" ще бъде равна на нула (ако, разбира се, се изключи топлинното движение на атома). Второ, с увеличаване на допустимите стойности на натоварване, скоростта на двигателя се държи немонотонно: увеличаването на момента на силите първо води до увеличаване на скоростта на "носителя", след това до нейното намаляване и след това - до промяна в посоката на въртене на атома с едновременно увеличаване на скоростта на движение. Най-общо казано, зависимостта на скоростта на „носителя” от големината на натоварването ще бъде дискретна функция, която също има фрактални свойства. Свойството фракталност означава, че описаното по-горе поведение на квантовия атомен двигател ще се повтаря в редовно разширяващ се диапазон от стойности на натоварване.

Източник:А. В. Пономарев, С. Денисов, П. Ханги. AC-задвижван атомен квантов двигател //Phys. Rev. Lett.102, 230601 (2009).