Kleineste Wärmekraftmaschine der Welt

Motor aus einem Atom

Wissenschafter berichten jetzt über eine neuartige Wärmekraftmaschine, die mit nur einem einzelnen Atom funktioniert. Die Experimente wurden in der Arbeitsgruppe QUANTUM am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.

Blick in Vakuumkammer, in der sich die Atom-Falle befindet. (Foto/©: AG Quantum, JGU)

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 Calcium-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.

Teil des Lasersystems, mit dem das Atom abwechselnd geheizt und gekühlt wird. (Foto/©: AG Quantum, JGU)

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 W und hat eine Effizienz von 0,3 %. 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.

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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.

Von links: 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)

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.

Weitere Informationen:
Dipl.-Phys. Johannes Roßnagel
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
E-Mail: j.rossnagel@uni-mainz.de
http://www.quantenbit.physik.uni-mainz.de/quantum-thermodynamics/

Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer
Experimentalphysik I / Licht-Materie-Wechselwirkung
Institut für Physik
Universität Kassel
Heinrich-Plett-Straße 40
34132 Kassel
E-Mail: ks@uni-kassel.de

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