Science: 德国科学家揭示如何利用单个原子制造引擎

自工业革命以来，热机在现代社会的发展中就扮演着重要的角色。例如，汽车发动机把热能转换为机械能，才使现代的生活方式成为可能。与此同时，随着工业微型化的发展，人们寄希望于研发出更小的引擎装置。

德国美茵茨大学物理学家Johannes Rossnagel在《科学》杂志上揭示了如何利用单个钙原子制造全世界最小的引擎。原子引擎的能量转化过程与传统汽车内燃机引擎的能量转换过程类似，通过在温度不同的两个热源间的循环，将热量转换为有用的功。不同之处在于，通常进行热-功转换的工作介质是含大量分子的液体或者气体的，而Rossnagel则将一个被限制在线性保罗陷阱（Paul trap）中的钙离子作为引擎的工作介质，激光冷却束作为低温热源，而电场噪声则作为热源。

“我们的研究结果表明，机器是可以微缩到单个原子大小的。这为未来的单离子冰箱和水泵的实验提供了平台。此外也为真正的热力学量子效应的探索开启了大门。”Rossnagel表示。

文献图注

图1 单原子热机

A: 实验装置示意图 绿色部分：受约束的单个原子；蓝色部分：激光束；红色部分：漏斗状射频电极；金色部分：端帽；灰色部分：外部电极

B: 射频电极间的赝势断面图，在中心位置达到最低点（漏斗形）

C: 离子的位置（黑色标志）随时间的变化，用正弦曲线进行拟合（绿色曲线）； 红蓝背景反映高、低温热源的周期性作用，产生周期性驱动力（蓝色曲线）

D: 单原子引擎在一个径向上的热力学循环

图2 引擎温度变化情况

A: 加热（红色）、冷却（蓝色）过程中的温度变化，T_H、T_C分别代表加热、冷却温度；

B: 加热温度T_H与电噪声方均根的关系；

C: 模拟出的离子温度随时间的变化，得到工作温度T_work

图3 引擎的功率和效率

由上图可得，该引擎的功率与理论计算结果基本一致，效率可以达到0.28±0.07%。

原文链接：Physicists build engine consisting of one atom

文献链接：A single-atom heat engine

感谢编辑部王宇提供新闻素材。