科學家打造出世界第一個單原子引擎

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雷射和電場被用來將一個原子變成一個極小的引擎: Lena Grottling/Shutterstock

奈米科技的目的是縮小日常生活所用的機械裝置,以便於控制與操作奈米世界,和操作我們自己尺寸的東西幾乎一樣好。

德國研究人員能夠成功地做出一個單原子的熱引擎,而且它可能是所造過的最小的熱引擎。就功率而言,研究人員也能算出它的能量輸出,3.4 x 10-22瓦。以質量來計,會讓它等同於一輛典型的汽車引擎(每公斤1.5千瓦)。這項成果發表於科學期刊

熱引擎將熱能轉換成機械能,一項科技的提升啟動了工業革命。在過去數十年左右,聚焦於微型化,製造越來越小的熱引擎。

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Johannes Roßnagel和同事設計單原子引擎,來運轉得像是一個全尺寸引擎。他們拿一個鈣離子並困住它,使它只能沿一個方向移動,然後將它受制於兩個不同的溫度。當被震盪的電場加熱時,被一個雷射光束冷卻下來。溫差造成沿著自由軸度移動,類似於引擎內活塞的移動。

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Roßnagel博士討論達成這項成果所需的技術複雜程度。他說:「技術本質和觀念本質一直是障礙。我們需要非常低噪音[干擾]的電子電路、一個最短曝光時間(700奈秒)的照相機、非常好的真空狀況、在隔欄裡高度控制的電場、以及高品質的雷射系統。」

他補充:「關鍵點是運轉引擎所需要的高度控制。而且,或許是更重要的,是讀出原子的狀態(像是溫度能量和位置)。」

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引擎的效率是0.28%,意思是只有0.28%的所有能量被轉換成有用的功用。結果好像很可怕(典型的汽車的效率大約是25%到30%),但它和理論的期待是一致的。

單原子引擎有潛力在應用和理論物理學上,扮演一個有意義的角色。單原子引擎可以為奈米科技提供動力,甚至允許科學家打造單原子冰箱,儘管研究人員不認為這項科技將會直接成為「日常使用」。

Roßnagel提到:「運轉單原子引擎需要整個實驗室的雷射、電子電路、還有真空室。然而,我們做基礎研究,以及試著對單獨粒子的熱動力學有一個更好的了解。」

「這個進一步的了解,能夠(我確定一定會)引導到下一世代的實驗,以及會有有趣應用的未來設備。」

來源: Iflscience