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物理学家开发出了一种肉眼看不到的引擎。
在今天发表在期刊上的一篇论文中 科学 来自德国美因茨大学和卡塞尔大学的研究团队创建了一个电磁系统，可捕获单个带电的钙-40原子并使其振荡，从而产生能量，就像蒸汽机车和汽车发动机一样。由于这种微型发动机的量子力学条件，物理学家认为该系统工作在同一水平，甚至可以比普通汽车发动机更有效。
“自50年代末以来，引擎的量子特性已有很多理论解释和研究，”美因茨大学的首席研究员和实验物理学家，JohannesRoßnagel讲述 逆。 “我们现在已经证明这是可能的。”
四年前，Roßnagel和他的团队开始研究这个项目，当时他们想要探索热力学中的量子效应，并认为最好的实验方法是创造一个引擎。他说，他们必须在几百欧元的小预算下从零开始建造所有东西。他们必须构建个性化的电子设备和能够以非常精确的水平控制离子的系统。他们花了整整一年的时间来开发获得温度测量的技术 - 常见的方法对于他们的发动机而言太慢或不准确。
他们最终得到的是一个8毫米长，直径为4毫米的离子阱，带有金板和电极，可隔离电磁场内的孤立钙原子（但任何带电原子都能完成这项工作）。两个激光指向陷阱的末端，一个加热原子，另一个冷却它。温度的这种波动驱使离子产生不断增加的谐波振荡 - 就像声波一样。 Roßnagel解释说，这与大型热力发动机的想法相同，后者依靠气体或液体来产生机械功，除了在这种情况下只有一个颗粒。
Roßnagel表示，虽然单原子发动机的功率仅为10-22瓦，但实际上可与汽车发动机相媲美。如果计算一般汽车发动机中单个气体颗粒的能量，则电动机的功率与单原子发动机的功率数量级相同。
“这对我们来说非常令人惊讶，”Roßnagel说道。 “这意味着，当您将这样的系统缩放到单个粒子时，它仍然在与宏观引擎相同的水平上运行。”
他和他的同事认为，这种效率水平是由于量子效应，这种独特的性质只能通过单个原子和粒子产生。 Roßnagel解释说，热力学量子效应会使发动机不必依赖温度作为唯一能源，并且单原子发动机的量子特性有可能比热力发动机产生更多的动力。然而，外界的物理学家并不那么确定。
“我不接受这种效率只是来自'量子力学的奇怪'，”加州大学伯克利分校的理论物理学家哈特穆特·哈弗纳没有参与实验，他告诉我们 2014年，Roßnagel写了一篇关于引擎的提案文件。 Häffner补充说，潜在的单原子发动机本身“非常有趣并且描述得非常好。它试图将我们对热力学所知的界限推向新的制度。“
单原子发动机Roßnagel和他的团队建造的是他所知道的最小的发动机。然而，有可能用单个电子创造更小的电子，但他不相信追求一个电子。 “我们有一个在发动机中运行的颗粒，无论这是一个钙原子还是一个电子，从我们的研究角度来看，它没有什么区别。”
接下来，Roßnagel希望用这种技术制造小型冰箱。他解释说，通过转动热力循环，单原子发动机将像冰箱一样运行。他们的系统产生温差，产生一个加热的一面和一个冷却的一面 - 就像我们的食品储存设备。在遥远的未来，他还可以看到这些纳米级引擎改进芯片和单原子晶体管。
“在操作过程中产生的热量对于芯片行业来说是一个非常大的问题。我认为手头有额外的冷却系统会非常有帮助，“他说。
不管他们最初的单原子引擎到底是什么，Roßnagel相信“这将在某一天找到更多的应用程序。”