在神秘的量子现象的踪迹世界上最小的电动机

发布时间: 2020-06-19 16:21:16 来源:

世界上最小的电动机-仅由16个原子组成:这是由Empa和EPFL的研究人员团队开发的。Empa功能表面研究小组负责人OliverGröning解释说:“这使我们接近了分子电动机的极限尺寸极限。”电机的尺寸不到一纳米-换句话说,它比人的头发直径小100,000倍。

原则上,分子机的功能与其在宏观世界中的对应机相似:将能量转换为定向运动。这样的分子马达也存在于自然界中,例如以肌球蛋白的形式存在。肌球蛋白是运动蛋白,在生物体的肌肉收缩和其他分子在细胞之间的运输中起重要作用。

纳米级的能量收集

像大型电动机一样,16原子电动机包括定子和转子,即固定部分和运动部分。转子在定子表面旋转(见图)。它可以占据六个不同的位置。“为了使电动机真正发挥作用,至关重要的是定子必须使转子只能沿一个方向移动,”格罗宁解释说。

由于驱动电动机的能量可能来自随机方向,因此电动机本身必须使用棘轮方案确定旋转方向。但是,原子电动机的运行与宏观世界中带有不对称锯齿状齿轮的棘轮相反:棘轮上的棘爪沿平坦边缘向上移动并锁定在陡峭边缘的方向上,而原子变体所需的扭矩却更少向上移动齿轮的陡峭边缘所需的能量要比在平坦边缘上增大。因此,通常沿“阻挡方向”运动是优选的,而沿“运行方向”运动的可能性则小得多。因此,实际上只能在一个方向上移动。

研究人员通过使用具有六个三角形和六个钯原子的基本三角形结构的定子,以最小的变体实现了这种“反向”棘轮原理。这里的技巧是这种结构是旋转对称的,而不是镜像对称的。

结果,尽管顺时针和逆时针旋转必须不同,但仅包含四个原子的转子(对称的乙炔分子)可以连续旋转。“因此,电动机具有99%的方向稳定性,这使其与其他类似的分子电动机区别开来,”格罗宁说。通过这种方式,分子电动机为原子级的能量收集开辟了一条途径。

来自两种来源的能量

微型电动机可以由热能和电能驱动。热能引起电动机的定向旋转运动沿随机方向旋转-例如在室温下,转子以每秒几百万转的速度完全随机地来回旋转。相反,由电子扫描显微镜产生的电能会导致方向旋转,电子的显微镜电能从其尖端流入电机。单电子的能量足以使转子继续旋转仅仅六分之一圈。供给的能量越高,运动的频率就越高-但是同时,转子在随机方向上运动的可能性也就越大,因为太多的能量可以克服“错误”方向上的棘爪。

根据经典物理学定律,使转子相对于滑槽的阻力运动所需的能量最少。如果提供的电能或热能不足,则必须停止转子。出乎意料的是,研究人员能够在甚至低于此极限的一个方向上观察到一个独立的恒定旋转频率-温度低于17开尔文(-256摄氏度)或施加的电压低于30毫伏。

从古典物理学到量子世界

在这一点上,我们正处于从古典物理学到更令人费解的领域的过渡:量子物理学。根据其规则,粒子可以“挖洞”,也就是说,即使转子的动能在传统意义上不足,转子也可以克服滑道。这种隧道运动通常在没有任何能量损失的情况下发生。因此,从理论上讲,在该区域中两个旋转方向均应同样可能。但是令人惊讶的是,电动机仍以99%的概率向同一方向旋转。“热力学第二定律指出,封闭系统中的熵永远不会减小。换句话说:如果在隧穿事件中没有能量损失,则电动机的方向应该纯粹是随机的。

时间是哪条路?

如果我们再打开一点示波器:观看视频时,通常可以清楚地知道时间在视频中是向前还是向后。例如,如果我们看一个网球,它在每次撞击地面后会跳得更高一点,那么我们直观地知道该视频向后跑。这是因为经验告诉我们,每次撞击球都会损失一些能量,因此反弹的高度应该较小。

如果我们现在考虑一个既不增加能量又不损失能量的理想系统,那么就无法确定时间在哪个方向上运行。这样的系统可以是一个“理想的”网球,它在每次撞击后会以完全相同的高度反弹。因此,不可能确定我们正在观看此理想球的视频是向前还是向后-两个方向都同样合理。如果能量保留在一个系统中,我们将不再能够确定时间方向。

但是,该原理也可以颠倒:如果我们观察到系统中的某个过程清楚地表明时间在哪个方向运行,则该系统必须损失能量,或更确切地说,要耗散能量,例如通过摩擦。

回到我们的微型电动机:通常假定在隧道掘进过程中不会产生摩擦。但是,与此同时,没有能量提供给系统。那么,如何使转子始终向同一方向旋转呢?热力学第二定律不允许有任何例外-唯一的解释是,即使在隧穿过程中,能量损失也很小,即使它很小。因此,格罗宁和他的团队不仅为分子工匠开发了玩具。Empa研究人员说:“电动机可以使我们研究量子隧穿过程中的过程和能量耗散的原因。”

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