Motor aus einem Atom
Das Wissenschaftsmagazin Science berichtet in seiner aktuellen Ausgabe über eine neuartige Wärmekraftmaschine, die mit nur einem einzelnen Atom funktioniert. Es handelt sich um Experimente, die unter Leitung von Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer, Leiter des Fachgebiets Experimentalphysik I an der Universität Kassel, noch in seiner Zeit an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt wurden.
Seit der industriellen Revolution spielen Wärmekraftmaschinen in unserer Gesellschaft eine entscheidende Rolle. Sie wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, und sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig führt die Miniaturisierung zu immer kleineren technischen Geräten.
Die Wissenschaftler um Prof Dr. Kilian Singer nutzen eine sogenannte Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern. Das Atom kann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt werden. Dadurch durchläuft es einen thermodynamischen Kreisprozess, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt. Somit spielt das Atom die Rolle des Motors und des Energiespeichers gleichermaßen.
In ausführlichen Messreihen konnten die Physiker das thermodynamische Verhalten des Motors charakterisieren. Wie die Forscher nun in ihrer Veröffentlichung zeigen, liefert der Ein-Atom-Motor eine Leistung von 10-22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. Normiert man die Leistung der Einzelatommaschine auf die geringe Masse eines Atoms, ist ihre Leistung vergleichbar mit der eines Automotors. „Durch die Umkehr des Kreisprozesses können wir die Maschine als einatomigen Kühlschrank betreiben und damit gekopBesonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, dass die Realisierung eines solchen Nanomotors einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hochaktuelles Forschungsgebiet. In Zukunft ist geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und thermodynamische Quanteneffekte zu untersuchen. Theoretische Arbeiten haben vorgeschlagen, die Leistung einer Wärmekraftmaschine durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern. So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.
Das Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projektes "Einzelionenwärmekraftmaschine" und durch die Volkswagenstiftung im Rahmen des Projektes "Atomarer Nanoassembler".
Veröffentlichung:
Johannes Roßnagel et al.
A single-atom heat engine
Science, 15. 4. 2016
DOI: 10.1126/science.aad6320
pelte Nanosysteme kühlen“, teilt Johannes Roßnagel, Erstautor der Studie, dazu mit.
Bilder:
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Ansicht der Vakuumkammer mit der Falle (Mitte). Foto: AG Quantum, JGU Mainz
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Teil des Lasersystems, das das Atom abwechselnd kühlt und erhitzt. Foto: AG Quantum, JGU Mainz
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Foto von Prof. Dr. Kilian Singer. Foto: Privat
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Foto von Johannes Rossnagel. Foto: Privat
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Kilian Singer
Universität Kassel
Experimentalphysik I / Licht-Materie-Wechselwirkung
Tel. +49 561 804-4235
E-Mail: ks@uni-kassel.de
Weitere Links:
http://science.sciencemag.org/content/352/6283/325