Egyetlen atom

A szingapúri Nemzeti Egyetem (NUS) Kvantum-technológiai központja (CQT), Fizika-, valamint Technológia és dizájn tanszéke (SUTD) és a németországi Augsburg Egyetemének új tanulmánya közelebb vihet bennünket az atomnyi méretű eszközök mechanikájának, működésének megértéséhez.

A tudósok kimutatták, hogy már akár egyetlen atom is működhet motorként vagy hűtőberendezésként is. Dario Poletti, a SUTD kutatója elmondta:  „Gondoljunk arra, hogy egy számítógépben vagy laptopban milyen sok olyan anyag van, ami felmelegszik. Ma ezeket egy ventilátor hűti le, amely levegőt fúj rájuk. A nano-gépekben vagy a kvantumszámítógépekben hasznos lehet egy olyan apró eszköz, amely képes hűtést végezni.”

Manas Mukherjee, CQT egyik fő kutatója, aki a kísérleti munkát vezette, így vélekedett: 

„Meg akarjuk érteni, hogyan tudunk termodinamikai eszközöket építeni, pusztán néhány atom felhasználásával. Ennek fizikája ma még kevéssé ismert, ezért is fontos a munkánk, hogy feltárjuk és megismerjük a lehetőségeket.”

Rezgés-elemzés

A kutatás során a tudósok egyetlen bárium atom termodinamikáját vizsgálták. Kialakítottak egy olyan rendszert, amelyben a lézerek az atom egyik elektronját két energiaszint közötti mozgatták, egy ciklus fontos elmeként, és így egy bizonyos energiát adtak hozzá a molekula rezgéseihez.

Mint ahogy egy autó motorja felhasználja a benzint, mind a dugattyúk mozgatásához, mind pedig az akkumulátor energiával való feltöltéséhez, az atom is üzemanyagként használta a lézerek energiáját, vibráló mozgásának felépítéséhez.

Az atom vibrációja egy akkumulátorok demonstrációja lett, mely energiát raktároz el, és az a későbbiekben kinyerhető belőle. Átalakítva a ciklust, az atom hűtőberendezésként kezdett működni, kibocsátva a rezgésekben tárolt energiát.

Elmosódó reakciók

Poletti magyarázatában:  „Mindkét üzemmódban mutatkoznak kvantumhatások az atom elektronállapotai és a rezgések közötti összefüggésben. Ezen a méretskálán az energiaátvitel módja a motor és a terhelés között kissé elmosódott (fuzzy). A terhelésen már nem végezhető munka, muszáj tehát valamekkora hőt átvinni. A fuzzy jelleg miatt a folyamat kevésbé hatékony, de kísérleti jelleggel működtethető.” 

A tudósok olyan báriumatomot használtak, amelyből egy elektron (egy negatív töltés) eltávolításra került. Ez az atomot pozitív töltésűvé tette, és így könnyebben nyugalomban volt tartható elektromos mezők segítségével egy fémkamrában. A környező levegőt eltávolították körülötte, és ezután lézerrel célozták meg, hogy végigjuttassák egy négylépcsős cikluson. 2-15 ciklus lefutása után az atom rezgését számszerűsítették. A tudósok ezt követően akár 150-szer ismételték meg a ciklusokat, megmérve, hogy átlagosan mennyi vibrációs energia maradt a folyamat végén. 

Megfigyelték, hogy vibrációs energia megnövekedett, amikor az atomot motor-ciklusban lézerezték, és csökkent, amikor hűtő ciklusra váltottak.

A tanulmány első szerzője Van Horne Ph.D. hallgató így írta le a a tapasztaltakat: „Az atom méretű gép megértése bonyolult számításokat és megfigyeléseket igényelt. A csapatnak két termodinamikai mennyiséget kellett nyomon követnie: az ergotropiát melyben az energia hasznos munkává vált, és az entrópiát, mely a rendszer rendellenességeihez kapcsolódik. Mind az ergotropia, mind az entrópia növekszik, az atom-gép működése során. A lényeg szerencsére leegyszerűsíthető: terveztünk egy apró gépet, amely entrópiát hoz létre, ha szabad energiával tápláljuk, hasonlóan a gyerekekhez, amikor túl sok cukrot kapnak."

(Forrás: Nature Képek: NUS)