Primeiro motor nanoelétrico

Os teóricos alemães da Universidade de Augsburgo propuseram um modelo original de um motor elétrico operando sobre as leis da mecânica quântica. Um campo magnético alternado externo especialmente selecionado é aplicado a dois átomos colocados em uma rede óptica em forma de anel a uma temperatura muito baixa. Um dos átomos, que os cientistas chamam de "portador", começa a se mover ao longo da rede óptica e, depois de um tempo, atinge velocidade constante, o segundo átomo desempenha o papel de um "iniciador" - graças à interação com ele, o "portador" inicia seu movimento. Toda a estrutura é chamada de mecanismo atômico quântico.

O primeiro motor elétrico em funcionamento foi projetado e demonstrado em 1827 pelo físico húngaro Agnos Jedlic. O aprimoramento de vários processos tecnológicos leva à miniaturização de vários dispositivos, incluindo dispositivos para converter energia elétrica ou magnética em energia mecânica. Quase 200 anos após a criação do primeiro motor elétrico, seus tamanhos atingiram o limiar do micrômetro e entraram na região dos nanômetros.

Um dos muitos projetos de motores elétricos em micro / nanoescala foi proposto e implementado por cientistas americanos em 2003 em um artigo de atuadores rotacionais baseados em nanotubos de carbono, publicado na Nature.

Fig. 1. Motor quântico atômico. Dois átomos ultrafrios diferentes (bolas marrons e azuis) estão em uma rede óptica anular. Veja o texto para detalhes. Fig. do artigo em discussão no Phys. Rev. Lett.

Fig. 2. Desenho esquemático de um motor nanoelétrico. a. A placa do rotor de metal (R) é montada em um nanotubo de carbono com paredes múltiplas. O contato elétrico com o plano do rotor é através de um nanotubo de carbono e âncoras (A1, A2). Três eletrodos do estator (S1, S2, S3) localizados em um substrato de óxido de silício SiO2 desempenham o papel de elementos de controle para a rotação do rotor - eles são fornecidos com tensão elétrica independentemente um do outro. b. Imagem de um motor elétrico feito usando um microscópio eletrônico de varredura. O comprimento da barra de escala é de 300 nm. Fig. do artigo Atuadores rotacionais baseados em nanotubos de carbono na natureza

Em um nanotubo de carbono com paredes múltiplas, há uma folha plana de metal R desempenhando o papel de um rotor (Fig. 2). O nanotubo é montado em duas âncoras eletricamente condutoras A1 e A2. O rotor está localizado entre os três eletrodos - os estatores S1, S2 e S3. Aplicando uma tensão especial ao rotor e aos três estatores, é possível controlar a direção e a velocidade de rotação da placa de metal. O nanotubo de carbono de paredes múltiplas neste projeto serve, em primeiro lugar, como um jumper elétrico para fornecer corrente ao rotor e, em segundo lugar, como uma fixação mecânica do rotor.

E, recentemente, físicos teóricos da Alemanha, em um artigo da Ac-Driven Atomic Quantum Motor, publicado na revista Physical Review Letters, propuseram um modelo de um motor que possui dimensões micrométricas e trabalha com as leis da mecânica quântica. O motor consiste em duas partículas em interação - dois átomos localizados em uma rede óptica anular e a uma temperatura muito baixa (Fig. 1). Uma treliça óptica é uma armadilha para esses átomos ultrafrios (com temperaturas da ordem de mili ou microkelvins) criados pela interferência de raios laser.

O primeiro átomo é o "portador" (bola marrom na Fig. 1), o segundo átomo é o "iniciador" (bola azul). Inicialmente, as partículas não são excitadas e estão localizadas na parte inferior do poço de energia da rede (no nível com o menor valor possível de energia). Um campo magnético externo variável no tempo (sinal de controle) é aplicado à grade óptica, que afeta a "transportadora" e não afeta a "partida". O arranque deste motor, como resultado do qual o "transportador" inicia seu movimento circular na rede óptica, é realizado através da interação com outra partícula - o "iniciador".

A presença de um átomo "iniciador" em um dispositivo desse tipo é necessária para a operação completa do mecanismo quântico.Se não houvesse uma segunda partícula, o átomo portador não poderia iniciar seu movimento direcionado ao longo da rede óptica. Ou seja, a tarefa do átomo "inicial" é iniciar o início desse mecanismo, para dar um começo. Na verdade, é daí que vem o nome da segunda partícula. Depois de algum tempo, a "portadora", já sob a ação de um sinal alternado na forma de um campo magnético externo, atinge seu pico de potência - a velocidade atômica atinge seu máximo e permanece constante no futuro.

Agora, algumas palavras sobre as condições para a operação eficaz de um mecanismo atômico quântico. A pesquisa teórica de cientistas alemães mostrou que um campo magnético alternado externo deve consistir em dois componentes harmônicos com amplitudes dadas e com alguma mudança de fase entre eles. Essa mudança de fase entre os componentes desempenha um papel fundamental no motor - permite controlar o motor, ou seja, alterar a velocidade e a direção do movimento da "transportadora". Se um sinal harmônico simples fosse usado e o campo magnético mudasse com o tempo, por exemplo, de acordo com a lei senoidal, a "portadora" poderia se mover igualmente na rede óptica no sentido horário ou anti-horário, e seria impossível controlar a direção e a velocidade de seu movimento. Na fig. A Figura 3 mostra um gráfico que representa a velocidade e o sentido de rotação da "transportadora" em função da diferença de fase dos dois harmônicos, calculada usando diferentes abordagens da mecânica quântica.

Fig. 3. Dependência da velocidade de movimento do átomo “portador” vc da diferença de fase dos harmônicos (componentes) e do campo magnético de controle, calculado por dois métodos mecânicos quânticos diferentes (linha sólida vermelha e linha tracejada preta). Um valor de velocidade negativo corresponde a uma direção de rotação diferente. A velocidade do transportador é medida em unidades de alguma velocidade característica v0. Fig. do artigo em discussão no Phys. Rev. Lett.

É visto que a velocidade máxima de "portadora" será observada quando a diferença de fase for π / 2 e 3π / 4. Um valor negativo de velocidade significa que o átomo ("portador") gira na direção oposta. Além disso, foi possível estabelecer que a velocidade do átomo "portador" atingirá seu valor constante somente quando o número de nós da rede óptica for maior ou igual a 16 (ver Fig. 3, o número de nós é, grosso modo, o número de jumpers entre "Colinas"). Então, na fig. 3, a dependência da velocidade "portadora" da diferença de fase é calculada para 16 nós da rede óptica.

Para que o dispositivo descrito aqui seja chamado de motor de pleno direito, ainda é necessário descobrir como ele funciona sob a influência de qualquer carga. Em um motor convencional, a magnitude da carga pode ser descrita como o momento de quaisquer forças ou forças externas. Um aumento na carga leva a uma diminuição na velocidade de rotação do motor, com um aumento adicional no momento das forças, o motor pode começar a girar em direção crescente com o aumento da velocidade. Se você alterar a direção de aplicação do torque, um aumento na carga levará a um aumento na velocidade do motor. De qualquer forma, é importante que um aumento contínuo suave da carga proporcione a mesma mudança suave e contínua na rotação do motor. Podemos dizer que a dependência da velocidade de rotação da magnitude da carga do motor é uma função contínua.

A situação é completamente diferente com um mecanismo atômico quântico. Primeiro, existem muitos valores proibidos do momento de forças externas em que o mecanismo quântico não funcionará - a velocidade do "portador" será zero (a menos que, é claro, o movimento térmico do átomo seja excluído). Em segundo lugar, com um aumento nos valores de carga permitidos, a velocidade do motor se comporta de maneira não monotônica: um aumento no momento das forças leva primeiro a um aumento na velocidade "transportadora", depois à sua diminuição e depois a uma mudança na direção da rotação do átomo com um aumento simultâneo na velocidade do movimento.De um modo geral, a dependência da velocidade da "transportadora" em relação à magnitude da carga será uma função discreta que também possui propriedades fractais. A propriedade fractality significa que o comportamento acima descrito de um motor atômico quântico será repetido em uma faixa de valores de carga em expansão regular.

O artigo também propõe um diagrama da implementação prática desse mecanismo atômico quântico. Para fazer isso, você pode usar um átomo "iniciador" não carregado e um átomo "portador" ionizado (primeira opção) ou um "iniciador" pode ser uma partícula com rotação zero e um "portador" pode ser um átomo com rotação diferente de zero (segunda opção). No último caso, os autores propõem o uso dos isótopos de itérbio 174Yb com rotação zero (isto é, o bóson) e seu isótopo 171Yb com rotação meio inteiro (férmion) ou 87Rb, conhecido como material para a primeira condensação de Bose-Einstein e o férmio 6Li. Por exemplo, se um átomo de lítio for usado como um "portador", a constante da rede óptica para alguns outros parâmetros adicionais do motor (em particular, a profundidade do poço de energia da rede óptica e a massa dos átomos) deve ser de 10 μm e a frequência do campo de controle é menor que 2 Hz. Nesse caso, o mecanismo atômico quântico alcançará o "pico de potência" (a velocidade do "portador" se torna constante) em 1 minuto. Com uma diminuição no período da grade óptica, o dispositivo atinge sua potência máxima após 10 segundos.

Experimentadores já conseguiram responder a um artigo publicado por teóricos alemães. Eles acreditam que colocar dois átomos tomados separadamente em uma matriz óptica anular é tecnicamente, talvez, real, mas muito difícil. Além disso, não está claro como extrair trabalho útil desse mecanismo. Portanto, não se sabe se o projeto de um mecanismo atômico quântico será implementado ou se continuará sendo um belo modelo no papel pelos teóricos.

Fonte: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Motor Quântico Atômico Ac-Driven // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Veja também: Minato Magnetic Motor