Создан самый маленький тепловой двигатель, состоящий из единственного атома

Тепловые двигатели являются одним из самых распространенных типов двигателей в настоящее время. Эти двигатели вращают турбины генераторов тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания заставляют двигаться наши автомобили, турбореактивные двигатели позволяют самолетам летать в небе, а ракетные двигатели поднимают космические аппараты в открытое космическое пространство.

В большинстве своем тепловые двигатели, за редкими исключениями, имеют большие габариты и вес, который может измеряться сотнями, тысячами и десятками тысяч килограмм. И в течение каждого своего рабочего цикла такие двигатели то нагревают, то охлаждают триллионы триллионов молекул рабочего вещества, тепловая энергия которого превращается в энергию механического движения. А недавно, ученые-физики из Германии создали то, что можно назвать самым маленьким тепловым двигателем в мире. Ведь в нем использована лишь единственная крошечная частица — ион кальция.

Этот атомарный тепловой двигатель имеет слишком малую мощность для того, чтобы заставить двигаться что-либо, различимое глазом человека. Но, согласно Джейкобу Тэйлору, физику из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology), «такой атомарный двигатель может использоваться при проведении исследований в области статической физики, в области перемещения тепловых потоков и в микроскопических микроэлектромеханических системах».

Любой тепловой двигатель служит для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию механического движения. Это достигается за счет перемещения тепла от более горячих частей, к более холодным, или теплового расширения рабочего тела, что, к примеру, толкает поршень в двигателях внутреннего сгорания. В качестве рабочего тела и одновременно поршня атомарного теплового двигателя, созданного германскими учеными, используется ион кальция. Источником энергии этого двигателя является электромагнитный шумовой сигнал, а при помощи луча лазерного света создается область с низкой температурой.

Ион кальция (атом с одним искусственно удаленным электроном) помещен в воронкообразную электрическую ловушку, длиной в 8 миллиметров, создаваемую потенциалом, приложенным к четырем электродам. Ион нагревается при помощи шумового электромагнитного сигнала, излучаемого еще четырьмя электродами, выступающими в роли своего рода антенн. Воздействие энергии шумового сигнала заставляет атом кальция колебаться с большей амплитудой и он перемещается в строну более широкого конца ловушки. После отключения источника сигнала атом под воздействием луча лазерного света начинает охлаждаться, амплитуда его колебаний постепенно уменьшается и он снова перемещается к «узкой» стороне ловушки, где электрическое поле имеет самую высокую напряженность. И этот цикл повторяется снова, заставляя ион совершать периодические перемещения.

Подобрав необходимые параметры излучения источника шумового сигнала, определив точные моменты его включения и выключения, ученые настроили работу атомарного теплового двигателя так, что частота колебаний иона стала равной резонансной частоте ловушки. Когда эти частоты совпали, атом начал колебаться с увеличением амплитуды при каждом цикле и после этого энергию его движения уже стало можно использовать в каких-либо целях.

В настоящее время избыточная энергия движения атома поглощается при помощи воздействия луча света еще одного лазера. Однако, эту энергию можно использовать для приведения в действие крошечного электрического генератора. Энергия одного колебания атома составляет 10^-24 Джоуля и для того, чтобы получить значимое количество электрической энергии потребуется синхронная работа миллионов таких атомарных тепловых двигателей.

Однако, не создание двигателя было целью исследований ученых. «Нашей главной целью являлось получение подтверждения тому, что законы термодинамики соблюдаются и при уменьшении масштаба системы до уровня отдельных атомов» — пишут исследователи, — «Полученные нами экспериментальные значения мощности, эффективности и других энергетических показателей работы двигателя оказались весьма близки к значениям, полученным при помощи теоретических расчетов».

Самым интересным, согласно мнению Джейкоба Тэйлора, является то, что данные эксперименты открывают путь к изучению работы тепловых двигателей на квантовом уровне, на уровне, где действующие законы и принципы отличаются от законов и принципов классической физики. В нынешнем двигателе в каждом цикле атом кальция поглощает энергию эквивалентную энергии приблизительно 1000 фононов, квазичастиц, переносящих тепло. «Но 1000 фононов — это слишком много для того, чтобы наблюдать реальные квантовые явления. И это количество должно быть кардинально снижено для того, чтобы мы смогли обнаружить любые отклонения от законов классической термодинамики».