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由一个原子组成的热机

2018年07月27日 天文物理 ⁄ 共 782字 ⁄ 字号 暂无评论

离子阱中的单个原子可以像热机一样工作,也就是把热能转化为机械能。


由一个原子组成的热机


最近发表于《科学》的一篇文章介绍了一种新型的热机,这种热机只利用一个原子就能工作。这个热机是约翰内斯·古腾堡大学物理研究所量子研究组和埃尔朗根-纽伦堡大学的理论物理学家的共同研究成果。


热机从工业革命开始就在改变社会的过程中起了重要的作用。以汽车中的热机举例,它们将热能转换为机械能,而我们的现代社会已离不开热机。与此同时,随着缩小化的趋势,新出现的设备也越来越小。


这个研究团队由Kilian Singer教授领导,他原先在美茵茨大学工作,现在是卡塞尔大学的教授。研究者使用四极离子阱约束单个的钙离子,利用电流产生的噪声可以加热这个被束缚的原子,而用激光束可以冷却它,这样一来,原子就限制在了一个热动力循环中。换句话说粒子在离子阱中前后运动,就好像一台典型的热机的运转。在系统中,原子不仅运动方式与热机类似,也能储存能量。


研究人员针对这个热机的热力学性能进行了更多的实验。他们在论文中指出,他们的单个粒子制造的热机的功率有10-22W,效率为0.3%。如果把这个单个原子热机的功率按比例放大到宏观尺度,它的输出功率相当于一台汽车发动机的水平。“通过这一过程的逆循环,我们可以制造出一台单原子制冷机,并可以用它来冷却与之匹配的纳米系统。”该研究的第一作者Johannes Roßnagel这样解释。


这项研究的主要目的在于研究单个粒子水平的热力学,这是目前一个研究热点。进一步的研究计划是降低热机工作时的温度以观测热力学中的量子效应。根据理论,把热机与一个量子热库相连可以提高其功率,从中可能找到许多突破现有的传统热动力学公认极限的方法,并制造出新类型的热机。


翻译:杨硕

审校:赵昌昊


原文链接:http://phys.org/news/2016-04-electrically-calcium-atom.html


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