Les physiciens ont construit un moteur super minuscule propulsé par un seul atome de calcium

Les physiciens ont développé un moteur que vous ne pouvez pas voir à l’œil nu.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science, l’équipe de recherche de l’Université de Mayence et de l’Université de Kassel en Allemagne a créé un système électromagnétique qui piège un seul atome de Calcium 40 chargé et le fait osciller, créant ainsi une énergie comparable à celle des moteurs de locomotives à vapeur et de voitures. Et à cause de l'état mécanique quantique de ce minuscule moteur, les physiciens pensent que le système fonctionne au même niveau et peut même être plus efficace qu'un moteur de voiture moyen.

"Il y a eu beaucoup d'explications théoriques et d'investigations sur les propriétés quantiques des moteurs depuis la fin des années 50", a déclaré Johannes Roßnagel, chercheur principal et physicien expérimental à l'université de Mayence. Inverse. "Nous avons maintenant montré que c'était possible."

Roßnagel et son équipe ont lancé le projet il y a quatre ans lorsqu'ils voulaient explorer les effets quantiques en thermodynamique et pensaient que la meilleure façon d'expérimenter serait de créer un moteur. Ils ont dû tout construire à partir de rien avec un petit budget de quelques centaines d'euros, dit-il. Ils ont dû construire une électronique personnalisée et un système permettant de contrôler les ions à un niveau très précis. Il leur a fallu une année entière pour développer la technique permettant d'obtenir des mesures de température - les méthodes habituelles étant trop lentes ou imprécises pour leur moteur.

Ils se sont retrouvés avec un piège à ions de huit millimètres de long et quatre millimètres de diamètre avec des plaques d'or et des électrodes qui séquestraient le seul atome de calcium (mais tout atome chargé pourrait faire l'affaire) à l'intérieur d'un champ électromagnétique. Deux lasers pointent aux extrémités du piège, l'un réchauffant l'atome et l'autre le refroidissant. Cette fluctuation de température pousse l'ion à créer une oscillation harmonique toujours croissante, à la manière d'une onde sonore. C’est la même idée que les gros moteurs thermiques qui utilisent du gaz ou des liquides pour générer des travaux mécaniques, sauf que dans ce cas, il n’ya qu’une seule particule, explique Roßnagel.

Alors que le moteur à atome unique ne pouvait produire que 10 à 22 watts, il est en réalité comparable à un moteur de voiture, explique Roßnagel. Si vous calculez la quantité d'énergie de particules de gaz individuelles dans un moteur de voiture moyen, la puissance du moteur est du même ordre de grandeur que le moteur à atome unique.

«Cela a été très surprenant pour nous», déclare Roßnagel. "Cela signifie que lorsque vous redimensionnez un tel système en une seule particule, il fonctionne toujours au même niveau que les moteurs macroscopiques."

Ses collègues et lui estiment que ce niveau d'efficacité est dû aux effets quantiques, des propriétés uniques qui ne peuvent être générées que par des atomes et des particules uniques. Roßnagel explique que les effets quantiques thermodynamiques feraient en sorte que les moteurs ne soient plus obligés de compter sur la température, et que les propriétés quantiques d’un moteur à atome unique pourraient générer encore plus de puissance qu’un moteur thermique. Cependant, les physiciens extérieurs ne sont pas aussi certains.

"Je n'accepterais pas que cette efficacité vienne simplement de" l'étrangeté de la mécanique quantique "", a déclaré Hartmut Häffner, physicien théoricien à l'université de Californie à Berkeley, qui n'était pas impliqué dans l'expérience. en 2014, lorsque Roßnagel a rédigé un document de proposition concernant le moteur. Häffner ajoute que le moteur potentiel à atome unique lui-même «est très intéressant et très bien décrit. Nous essayons de repousser les limites de ce que nous savons de la thermodynamique dans un nouveau régime."

Le moteur à atome unique construit par Roßnagel et son équipe est le plus petit moteur qu'il connaisse aujourd'hui. Pourtant, il est possible de créer des cellules encore plus petites avec un seul électron, mais il ne croit pas qu’il soit dans l’intérêt de la poursuivre. "Nous avons une seule particule qui tourne dans le moteur, et que ce soit un atome de calcium ou un électron, du point de vue de notre recherche, cela ne fait aucune différence."

Ensuite, Roßnagel veut construire de petits réfrigérateurs dotés de la technologie. En inversant le cycle thermodynamique, le moteur à atome unique fonctionnerait exactement comme un réfrigérateur, explique-t-il. Leur système génère une différence de température, créant un côté chauffé et un côté refroidi, comme nos appareils de conservation des aliments. Dans un futur lointain, il pourra également voir ces moteurs à l'échelle nanométrique améliorer les puces et les transistors à un atome.

«La chaleur produite pendant une opération est un très gros problème pour l’industrie des puces. Je pense que disposer de systèmes de refroidissement supplémentaires serait très utile », a-t-il déclaré.

Peu importe ce qui sort exactement de leur moteur initial à un seul atome, Roßnagel pense que "cela trouvera de meilleures applications un jour."