Hier is een nieuw hoofdstuk in het verhaal van de miniaturisering van machines:onderzoekers in een laboratorium in Singapore hebben aangetoond dat een enkel atoom kan functioneren als motor of koelkast. Zo'n apparaat zou kunnen worden ingebouwd in toekomstige computers en brandstofcellen om energiestromen te regelen.

"Bedenk hoe je computer of laptop veel dingen bevat die opwarmen. Tegenwoordig koel je dat met een ventilator die lucht blaast. In nanomachines of kwantumcomputers, kleine apparaten die koeling doen, kunnen nuttig zijn, ", zegt Dario Poletti van de Singapore University of Technology and Design (SUTD).

Dit werk geeft nieuw inzicht in de mechanica van dergelijke apparaten. Het werk is een samenwerking tussen onderzoekers van het Center for Quantum Technologies (CQT) en het Department of Physics van de National University of Singapore (NUS), SUTD en aan de Universiteit van Augsburg in Duitsland. De resultaten zijn gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift npj Quantum-informatie op 1 mei.

Motoren en koelkasten zijn beide machines beschreven door thermodynamica, een tak van wetenschap die ons vertelt hoe energie binnen een systeem beweegt en hoe we nuttig werk kunnen extraheren. Een klassieke motor zet energie om in nuttig werk. Een koelkast werkt om warmte over te dragen, het verlagen van de lokale temperatuur. Zij zijn, in zekere zin, tegenstellingen.

Mensen hebben kleine warmtemotoren gemaakt voordat ze een enkel atoom gebruikten, een enkel molecuul en defecten in diamant. Een belangrijk verschil met dit apparaat is dat het kwantum in zijn actie laat zien. "We willen begrijpen hoe we thermodynamische apparaten kunnen bouwen met slechts een paar atomen. De fysica is niet goed begrepen, dus ons werk is belangrijk om te weten wat mogelijk is, " zegt Manas Mukherjee, een hoofdonderzoeker bij CQT, NUS, die het experimentele werk leidde.

De onderzoekers bestudeerden de thermodynamica van een enkel bariumatoom. Ze bedachten een schema waarin lasers een van de elektronen van het atoom tussen twee energieniveaus verplaatsen als onderdeel van een cyclus, waardoor er wat energie in de trillingen van het atoom wordt geduwd. Zoals een automotor benzine verbruikt om zowel de zuigers te bewegen als de batterij op te laden, het atoom gebruikt energie van lasers als brandstof om zijn vibrerende beweging te vergroten. De trillingen van het atoom werken als een batterij, energie opslaan die later kan worden gewonnen. Herschik de cyclus en het atoom werkt als een koelkast, energie uit de trillingen halen.

In beide werkingsmodi, kwantumeffecten verschijnen in correlaties tussen de elektronische toestanden en trillingen van het atoom. "Op deze schaal de energieoverdracht tussen de motor en de belasting is een beetje wazig. Het is niet meer mogelijk om zomaar aan de lading te werken, je bent verplicht om wat warmte over te dragen, ", zegt Poletti. Hij werkte de theorie uit met medewerkers Jiangbin Gong van NUS Physics en Peter Hänggi in Augsburg. De vaagheid maakt het proces minder efficiënt, maar de experimentatoren konden het nog steeds laten werken.

Mukherjee en collega's Noah Van Horne, Dahyun Yum en Tarun Dutta gebruikten een bariumatoom waaruit een elektron (een negatieve lading) wordt verwijderd. Dit maakt het atoom positief geladen, zodat het gemakkelijker stil kan worden gehouden in een metalen kamer door elektrische velden. Alle andere lucht eromheen wordt verwijderd. Het atoom wordt vervolgens gezapt met lasers om het door een cyclus van vier fasen te bewegen.

De onderzoekers maten de trilling van het atoom na 2 tot 15 cycli. Ze herhaalden een bepaald aantal cycli tot 150 keer, gemiddeld gemeten hoeveel trillingsenergie er aan het eind aanwezig was. Ze konden de vibratie-energie zien toenemen toen het atoom werd gezapt met een motorcyclus, en afnemend wanneer de zaps de koelkastcyclus volgden.

Het begrijpen van de machine ter grootte van een atoom omvatte zowel gecompliceerde berekeningen als observaties. Het team moest twee thermodynamische grootheden volgen die bekend staan ​​als ergotropie, dat is de energie die kan worden omgezet in nuttig werk, en entropie, die verband houdt met wanorde in het systeem. Zowel ergotropie als entropie nemen toe naarmate de atoommachine draait. Er is nog steeds een eenvoudige manier om ernaar te kijken, zegt eerste auteur en Ph.D. student Van Hoorn, "Globaal gezegd, we hebben een kleine machine ontworpen die entropie creëert omdat deze gevuld is met vrije energie, net als kinderen wanneer ze te veel suiker krijgen."