Fisikawan Membangun Mesin Super Tiny Didukung oleh Atom Kalsium Tunggal

Fisikawan telah mengembangkan mesin yang tidak bisa Anda lihat dengan mata telanjang.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di jurnal Ilmu, tim peneliti dari Universitas Mainz dan Universitas Kassel di Jerman menciptakan sistem elektromagnetik yang memerangkap satu atom Kalsium-40 yang terisi daya dan berosilasi, menciptakan energi seperti lokomotif uap dan mesin mobil. Dan karena kondisi mekanis kuantum dari mesin mungil ini, para fisikawan percaya bahwa sistem bekerja pada tingkat yang sama dan bahkan dapat lebih efisien daripada mesin mobil pada umumnya.

"Ada banyak penjelasan teoretis dan investigasi dalam sifat kuantum mesin sejak akhir 50-an," pemimpin peneliti dan ahli fisika eksperimental di Universitas Mainz, Johannes Roßnagel mengatakan Terbalik. "Kami sekarang telah menunjukkan bahwa itu mungkin."

Roßnagel dan timnya memulai proyek empat tahun lalu ketika mereka ingin mengeksplorasi efek kuantum dalam termodinamika, dan berpikir cara terbaik untuk bereksperimen adalah menciptakan mesin. Mereka harus membangun semuanya dari awal dengan anggaran kecil beberapa ratus Euro, katanya. Mereka harus membangun elektronik yang dipersonalisasi dan sistem yang dapat mengendalikan ion pada tingkat yang sangat tepat. Mereka membutuhkan satu tahun penuh hanya untuk mengembangkan teknik untuk mendapatkan pengukuran suhu - metode yang umum terlalu lambat atau tidak akurat untuk mesin mereka.

Yang akhirnya mereka dapatkan adalah perangkap ion berdiameter delapan milimeter dan berdiameter empat milimeter dengan pelat emas dan elektroda yang mengasingkan atom kalsium tunggal (tetapi setiap atom yang bermuatan dapat melakukan pekerjaan itu) di dalam medan elektromagnetik. Dua titik laser di ujung perangkap, satu memanaskan atom dan yang lain mendinginkannya. Fluktuasi suhu ini mendorong ion untuk menciptakan osilasi harmonik yang terus meningkat - seperti gelombang suara. Itu ide yang sama dengan mesin termal yang lebih besar yang mengandalkan gas atau cairan untuk menghasilkan kerja mekanik, kecuali dalam hal ini hanya ada satu partikel, Roßnagel menjelaskan.

Sementara mesin atom tunggal hanya bisa menghasilkan 10-22 watt, tetapi sebenarnya sebanding dengan mesin mobil, kata Roßnagel. Jika Anda menghitung jumlah energi masing-masing partikel gas dalam mesin mobil rata-rata, kekuatan motor berada dalam urutan yang sama besarnya dibandingkan dengan mesin atom tunggal.

“Ini sangat mengejutkan bagi kami,” kata Roßnagel. "Ini berarti bahwa ketika Anda skala sistem seperti itu ke satu partikel, itu masih berkinerja pada tingkat yang sama seperti yang dilakukan mesin makroskopik."

Dia dan rekan-rekannya percaya tingkat efisiensi ini adalah karena efek kuantum, sifat unik yang hanya dapat dihasilkan melalui atom dan partikel tunggal. Roßnagel menjelaskan bahwa efek kuantum termodinamika akan membuatnya sehingga mesin tidak harus bergantung pada suhu sebagai sumber energi tunggal, dan bahwa sifat kuantum mesin atom-tunggal memiliki potensi untuk menghasilkan lebih banyak daya daripada mesin termal. Namun, fisikawan luar tidak begitu yakin.

"Saya tidak akan menerima efisiensi ini hanya dari 'keanehan mekanika kuantum,'" Hartmut Häffner, seorang ahli fisika teori di University of California, Berkeley, yang tidak terlibat dalam percobaan, mengatakan kepada pada 2014 ketika Roßnagel menulis makalah proposal tentang mesinnya. Häffner menambahkan bahwa mesin single-atom potensial itu sendiri “sangat menarik dan dijelaskan dengan sangat baik. Ia mencoba untuk mendorong batas-batas dari apa yang kita ketahui tentang termodinamika ke rezim baru."

Mesin atom tunggal Roßnagel dan timnya yang dibangun adalah mesin terkecil yang dia tahu ada saat ini. Namun, ada kemungkinan untuk membuat yang lebih kecil dengan satu elektron, tetapi dia tidak percaya ada minat untuk mengejar satu. "Kami memiliki satu partikel yang berjalan di mesin, dan apakah ini adalah atom kalsium atau elektron, dari sudut pandang penelitian kami, itu tidak membuat perbedaan."

Selanjutnya, Roßnagel ingin membangun kulkas kecil dengan teknologinya. Dengan memutar siklus termodinamika, mesin atom tunggal akan berjalan persis seperti kulkas, ia menjelaskan. Sistem mereka menghasilkan perbedaan suhu, menciptakan sisi yang dipanaskan dan sisi yang didinginkan - seperti peralatan penyimpanan makanan kita. Di masa depan yang jauh, ia juga dapat melihat mesin skala nano ini meningkatkan chip dan transistor atom tunggal.

“Panas yang dihasilkan selama operasi adalah masalah yang sangat besar bagi industri chip. Saya pikir memiliki sistem pendingin tambahan yang ada akan sangat membantu, ”katanya.

Terlepas dari apa sebenarnya yang keluar dari mesin atom-tunggal pertama mereka, Roßnagel percaya "ini akan menemukan beberapa aplikasi yang lebih besar suatu hari nanti."