Создан двигатель размером с один атом

Физикам из Университета Майнца в Германии удалось создать тепловой двигатель, который состоит из одного единственного атома или иона. Запертый в электрической ловушке ион использует тепловую энергию для ее превращения в гармонические колебания. КПД машины составил 0,28 процентов. Исследование опубликовано в журнале Science.

Обычные тепловые двигатели состоят из порядка 10²⁴ степени частиц, где под частицами обычно подразумеваются атомы. В последнее время эти устройства удалось уменьшить до микроскопических размеров с использованием микроэлектромеханических, пьезорезисторных и других систем. Однако впервые о возможности существования крошечных моторов, состоящих из одного атома, заговорил физик Ричард Фейнман еще в 1959 году.

Чтобы создать такое устройство, ученые поместили ион кальция в специальную электрическую ловушку, представляющую собой квадруополь — систему из четырех разнозаряженных стержней, создающих поле, которое и захватывает ион. Ион являлся рабочим телом двигателя, хотя для работы машины необходимы и другие компоненты — холодильник и нагреватель. В качестве холодильника физики использовали метод лазерного охлаждения, с помощью которого температура системы понижалась до сверхнизких температур. В таких условиях нагревающим элементом служили флуктуации электрического поля.

Колебания электрического поля включались и выключались, в то время как охладитель работал все время. Во время цикла ион сначала «нагревался», смещаясь в пространстве и увеличивая свою потенциальную энергию, а затем, после выключения флуктуаций, возвращался в прежнее состояние. Повторение циклов приводило к гармоническим колебаниям иона и совершению им работы. Мощность такого двигателя исследователи оценили в 3,4 на 10^-22 джоулей, а КПД в 0,28 процентов.