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 Univ.-Prof Dr. Kilian Singer, Leiter des Projekts an der JGU und inzwischen Professor an der Universität Kassel, nutzten eine 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 gekoppelte Nanosysteme kühlen", teilt Johannes Roßnagel, Erstautor der Studie, dazu mit.
Besonders 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 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projekts „Einzelionenwärmekraftmaschine" und durch die VolkswagenStiftung im Rahmen des Projekts „Atomarer Nanoassembler" gefördert.
VERÖFFENTLICHUNG:
Johannes Roßnagel et al.
A single-atom heat engine
_Science_, 15. April 2016
DOI: 10.1126/science.aad6320
FOTOS:
<link http: www.uni-mainz.de bilder_presse>
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_ein_atom_motor_01.jpg
[1]
Blick in Vakuumkammer, in der sich die Atom-Falle befindet.
Foto/©: AG Quantum, JGU
<link http: www.uni-mainz.de bilder_presse>
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_ein_atom_motor_02.jpg
[2]
Teil des Lasersystems, mit dem das Atom abwechselnd geheizt und gekühlt
wird.
Foto/©: AG Quantum, JGU
<link http: www.uni-mainz.de bilder_presse>
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_ein_atom_motor_03.jpg
[3]
(v.l.) Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer (Projektleiter), Johannes Roßnagel
(Doktorand) und Univ.-Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler (Leiter von
QUANTUM) vor dem experimentellen Aufbau der Wärmekraftmaschine.
Foto/©: AG Quantum, JGU
WEITERE INFORMATIONEN:
Dipl.-Phys. Johannes Roßnagel
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23671
Fax +49 6131 39-23428
E-Mail: <link>j.rossnagel@uni-mainz.de
<link http: www.quantenbit.physik.uni-mainz.de quantum-thermodynamics>
www.quantenbit.physik.uni-mainz.de/quantum-thermodynamics/
[4]Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer
Experimentalphysik I / Licht-Materie-Wechselwirkung
Institut für Physik
Universität Kassel
Heinrich-Plett-Straße 40
34132 Kassel
Tel. +49 561 804-4235
Fax +49 561 804-4518
E-Mail: <link>ks@uni-kassel.de
<link https: www.uni-kassel.de fb10 institute physik forschungsgruppen licht-materie-wechselwirkung prof-dr-kilian-singer.html>
[5]
WEITERE LINKS:
<link http: science.sciencemag.org content>
science.sciencemag.org/content/352/6283/325
[6](Veröffentlichung in _Science_)
<link http: www.sciencemag.org news scientists-build-heat-engine-single-atom>
www.sciencemag.org/news/2015/10/scientists-build-heat-engine-single-atom
[7] (Magazin _Science_ vom 21. Oktober 2015 "Scientists build heat
engine from a single atom")
<link https: www.uni-mainz.de presse>
www.uni-mainz.de/presse/59213.php
[8] (Pressemitteilung vom 23.Januar 2014 „Mainzer Physiker bauen ersten Prototyp einer
Ein-Ionen-Wärmekraftmaschine")
Links:
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[1] <link http: www.uni-mainz.de bilder_presse>
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_ein_atom_motor_01.jpg
[2] <link http: www.uni-mainz.de bilder_presse>
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_ein_atom_motor_02.jpg
[3] <link http: www.uni-mainz.de bilder_presse>
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_ein_atom_motor_03.jpg
[4] <link http: www.quantenbit.physik.uni-mainz.de quantum-thermodynamics>
www.quantenbit.physik.uni-mainz.de/quantum-thermodynamics/
[5] <link https: www.uni-kassel.de fb10 institute physik forschungsgruppen licht-materie-wechselwirkung prof-dr-kilian-singer.html>
[6] <link http: science.sciencemag.org content>
science.sciencemag.org/content/352/6283/325
[7] <link http: www.sciencemag.org news scientists-build-heat-engine-single-atom>
www.sciencemag.org/news/2015/10/scientists-build-heat-engine-single-atom
[8] <link https: www.uni-mainz.de presse>
www.uni-mainz.de/presse/59213.php