Een multitasking nanomachine die tegelijkertijd kan fungeren als een warmtemotor en een koelkast is gemaakt door RIKEN-ingenieurs. Het apparaat is een van de eersten die test hoe kwantumeffecten, die het gedrag van deeltjes op de kleinste schaal bepalen, ooit zou kunnen worden gebruikt om de prestaties van nanotechnologieën te verbeteren.

Conventionele warmtemotoren en koelkasten werken door twee vloeistofpoelen met elkaar te verbinden. Het comprimeren van één zwembad zorgt ervoor dat de vloeistof ervan opwarmt, terwijl het snel uitzet, koelt het andere zwembad zijn vloeistof af. Als deze bewerkingen in een periodieke cyclus worden uitgevoerd, de zwembaden wisselen energie uit en het systeem kan worden gebruikt als warmtemotor of als koelkast.

Het zou onmogelijk zijn om een ​​machine op macroschaal op te zetten die beide taken tegelijkertijd uitvoert - en dat zouden ingenieurs ook niet willen, zegt Keiji Ono van het RIKEN Advanced Device Laboratory. "Het combineren van een traditionele warmtemotor met een koelkast zou het een volledig nutteloze machine maken, "zegt hij. "Het zou niet weten wat te doen."

Maar dingen zijn anders als je dingen kleiner maakt. Natuurkundigen hebben steeds kleinere apparaten ontwikkeld, soms gebaseerd op enkele atomen. Op deze kleine schalen, ze moeten rekening houden met de kwantumtheorie - de vreemde reeks wetten die zegt:bijvoorbeeld, een elektron kan op twee plaatsen tegelijk bestaan ​​of twee verschillende energieën hebben. Natuurkundigen ontwikkelen nieuwe theoretische kaders en experimenten om te achterhalen hoe dergelijke systemen zich zullen gedragen.

De kwantumversie van de warmtemotor gebruikt een elektron in een transistor. Het elektron heeft twee mogelijke energietoestanden. Het team zou de kloof tussen deze energietoestanden kunnen vergroten of verkleinen door een elektrisch veld en microgolven toe te passen. "Dit kan analoog zijn aan de periodieke expansie-comprimerende werking van een vloeistof in een kamer, " zegt Ono, die het experiment leidde. Het apparaat straalde ook microgolven uit wanneer het elektron van het hoge energieniveau naar het lagere ging.

Door te controleren of het bovenste energieniveau bezet was, het team toonde eerst aan dat het nanodevice als een warmtemotor of als een koelkast kan fungeren. Maar toen lieten ze iets heel vreemds zien:de nanomachine kon als beide tegelijk werken, wat een puur kwantumeffect is. De onderzoekers bevestigden dit door te kijken naar de bezetting van het bovenste energieniveau, die samen een karakteristiek interferentiepatroon creëerden. "Er was een bijna perfecte match tussen het experimentele interferentiepatroon en dat voorspeld door de theorie, ' zegt Ono.

"Hierdoor kan snel worden geschakeld tussen de twee werkingsmodi, " legt Ono uit. "Deze mogelijkheid zou in de toekomst kunnen helpen bij het maken van nieuwe toepassingen met dergelijke systemen."