I fisici hanno costruito un motore super piccolo alimentato da un singolo atomo di calcio

I fisici hanno sviluppato un motore che non puoi vedere ad occhio nudo.

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza, il gruppo di ricerca dell'Università di Mainz e dell'Università di Kassel in Germania ha creato un sistema elettromagnetico che intrappola un singolo atomo di calcio-40 carico e lo fa oscillare, creando energia proprio come locomotiva a vapore e motori di automobili. E a causa delle condizioni di meccanica quantistica di questo minuscolo motore, i fisici ritengono che il sistema funzioni allo stesso livello e possa persino essere più efficiente del motore di una media.

"Ci sono state molte spiegazioni teoriche e indagini sulle proprietà quantistiche dei motori sin dalla fine degli anni '50", ha affermato Johannes Roßnagel, ricercatore capo e fisico sperimentale presso l'Università di Magonza. Inverso. "Ora abbiamo dimostrato che è possibile."

Roßnagel e il suo team hanno intrapreso il progetto quattro anni fa quando volevano esplorare gli effetti quantistici in termodinamica e pensavano che il modo migliore per sperimentare sarebbe stato creare un motore. Hanno dovuto costruire tutto da zero con un piccolo budget di poche centinaia di euro, dice. Dovevano costruire un'elettronica personalizzata e un sistema che potesse controllare lo ione ad un livello molto preciso. Ci sono voluti un anno intero solo per sviluppare la tecnica per ottenere misurazioni della temperatura - i metodi comuni sono troppo lenti o inaccurati per il loro motore.

Ciò che hanno finito è una trappola ionica lunga otto millimetri e quattro millimetri nel diametro con piastre ed elettrodi dorati che sequestrano l'atomo di calcio solitario (ma qualsiasi atomo carico potrebbe fare il lavoro) all'interno di un campo elettromagnetico. Due laser puntano alle estremità della trappola, uno riscalda l'atomo e l'altro lo raffredda. Questa fluttuazione della temperatura guida lo ione per creare un'oscillazione armonica sempre crescente - come un'onda sonora. È la stessa idea dei motori termici più grandi che si basano sul gas o sui liquidi per generare lavoro meccanico, tranne che in questo caso c'è solo una particella, spiega Roßnagel.

Mentre il motore a singolo atomo poteva produrre solo 10-22 watt, ma in realtà è paragonabile a un motore di un'automobile, afferma Roßnagel. Se si calcola la quantità di energia delle singole particelle di gas nel motore di un'automobile media, la potenza del motore è nello stesso ordine di grandezza rispetto al motore a singolo atomo.

"Questo è stato molto sorprendente per noi", dice Roßnagel. "Ciò significa che quando si scala un sistema fino ad una singola particella, si sta ancora eseguendo allo stesso livello dei motori macroscopici".

Lui ei suoi colleghi credono che questo livello di efficienza sia dovuto a effetti quantici, proprietà uniche che possono essere generate solo attraverso singoli atomi e particelle. Roßnagel spiega che gli effetti quantici termodinamici farebbero sì che i motori non debbano fare affidamento sulla temperatura come unica fonte di energia e che le proprietà quantistiche di un motore a singolo atomo abbiano il potenziale per generare ancora più energia di un motore termico. Tuttavia, i fisici esterni non sono così sicuri.

"Non accetterei questa efficienza solo dalla 'stranezza della meccanica quantistica'", ha detto Hartmut Häffner, un fisico teorico dell'Università della California, Berkeley, che non è stato coinvolto nell'esperimento nel 2014 quando Roßnagel ha scritto un documento di proposta sul motore. Häffner aggiunge che il potenziale motore a singolo atomo stesso "è molto interessante e molto ben descritto. Sta cercando di spingere i confini di ciò che sappiamo della termodinamica in un nuovo regime."

Il motore a singolo atomo Roßnagel e il suo team sono il motore più piccolo che conosca oggi. Tuttavia, c'è la possibilità di crearne anche di più piccoli con un solo elettrone, ma non crede che ci sia interesse nel perseguirne uno. "Abbiamo una particella singola che gira nel motore, e se si tratta di un atomo di calcio o di un elettrone, dal nostro punto di vista della ricerca, non fa differenza".

Successivamente, Roßnagel vuole costruire piccoli frigoriferi con la tecnologia. Girando il ciclo termodinamico, il motore a singolo atomo funzionerebbe esattamente come un frigorifero, spiega. Il sistema genera una differenza di temperatura, creando un lato riscaldato e un lato raffreddato, come i nostri apparecchi di conservazione degli alimenti. Nel lontano futuro, può anche vedere questi motori su scala nanometrica che migliorano chip e transistor a singolo atomo.

"Il calore prodotto durante un'operazione è un enorme problema per l'industria dei chip. Penso che avere a disposizione sistemi di raffreddamento aggiuntivi sarebbe molto utile ", afferma.

A prescindere da cosa esca esattamente dal loro motore iniziale a singolo atomo, Roßnagel ritiene che "questo troverà alcune applicazioni più grandi un giorno".