Totální miniaturizace: Atomární strojky fungují podle kvantové mechaniky

Singapurští kvantoví inženýři postavili „motor“ a „ledničku“, které jsou založené na jediném atomu barya. Jsou to termodynamické strojky, které využívají přesuny energie spojené s vibracemi atomu. Podobná extrémně miniaturní zařízení by se mohla uplatnit v kvantových počítačích anebo nanostrojích.

Atomární strojky. Kredit: Aki Honda / Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore.

Kam až se můžeme dostat při zmenšování technologií? Nový výzkum singapurských vědců ukazuje, že se při miniaturizaci strojů dostáváme na úroveň atomů. Dokázali totiž vytvořit motor, a také chladící zařízení z jediného atomu. Podobná zařízení by se přitom v budoucnu mohla stát součástí kvantových počítačů nebo třeba pokročilých palivových článků.

Manas Mukherjee. Kredit: National University of Singapore.

Jak uvádí Dario Poletti z Singapore University of Technology and Design (SUTD), dnešní počítače a další elektronická zařízení mají ve svých „vnitřnostech“ řadu komponent, které se zahřívají. V soudobých počítačích se obvykle chladí větrákem, který pohybuje vzduchem uvnitř počítače. V budoucích nanostrojcích nebo kvantových počítačích by se ale hodila chladící zařízení velmi malých rozměrů.

Jak motory, tak i ledničky těží z termodynamiky. Klasický motor mění energii na práci, zatímco lednička lokální snižuje teplotu. V jistém úhlu pohledu to jsou vlastně protiklady. Badatelé se v tomto případě snažili vytvořit termodynamická zařízení, která bude tvořit jen pár atomů. Podle šéfa výzkumu není v tomto směru fyzika ještě úplně probádaná, takže je nutné experimentálně ověřovat, co je ještě možné, a co již nikoliv.

National University of Singapore, logo.

Mukherjeeho tým pracoval s jedním atomem barya a zkoumal jeho termodynamické vlastnosti. Navrhli schéma, v němž laserové paprsky zajišťují přesun elektronů atomu barya mezi dvěma energetickými hladinami. Podobně jako motor automobilu využívá energii z paliva pro pohon pístů motoru a zároveň pro dobíjení baterie, využívá dotyčný atom barya energii laserových paprsků pro zvýšení svého vibračního pohybu. Vibrace atomu barya v tomto případě hrají roli baterie, která ukládá energii, aby mohla být využita později. Úpravou tohoto schématu atom barya fungoval jako chladící zařízení, když odebíral energii z vibrací.

Jak v módu „motoru“, tak i v módu „ledničky“ na atomární strojek působily kvantové jevy. Kvůli nim dochází k „rozostření“ přesunu energie a fungování atomárního strojku je proto méně účinné. Přesto ale takové strojky pracují. Badatelé vyzkoušeli atomární motor i ledničku v experimentech a ověřili si, že když je atom barya zapojený v cyklu „motoru“, tak se jeho vibrační energie skutečně zvyšuje a v cyklu „ledničky“ zase naopak snižuje. V budoucnu by se podobné atomární strojky mohly dočkat zajímavých aplikací.

Video: Quantum Scientists in Singapore: Manas Mukherjee