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Artículo publicado el 15 de abril de 2016 en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz

Un artículo publicado en la última edición de la revista Science describe una innovadora forma de motor de calor que funciona usando un único átomo. El motor es el resultado de los experimentos realizados por el grupo de trabajo QUANTUM en el Instituto de Física de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) en colaboración con físicos teóricos de la Universidad Friedrich Alexander en Erlangen-Nürnberg (FAU).

Los motores de calor han desempeñado un papel importante en moldear de la sociedad desde la Revolución Industrial. Como en el caso de los motores de vehículos, transforman la energía térmica en fuerza mecánica, y nuestro estilo de vida moderno sería imposible sin ellos. Al mismo tiempo, el progreso en la miniaturización da como resultado la creación de dispositivos cada vez menores.

Un motor de un átomo

Un motor de un único átomo: cámara de vacío donde se encuentra la trampa Crédito: AG QUANTUM

Un equipo de investigadores dirigidos por el profesor Kilian Singer, director del proyecto en la Universidad de Mainz, y ahora profesor en la Universidad de Kassel, usó una trampa de Paul para capturar un átomo de calcio eléctricamente cargado. Este átomo puede calentarse con ayuda de ruido generado eléctricamente, y enfriado mediante un haz láser. Como resultado, el átomo está sometido a un ciclo termodinámico. Esto significa que la partícula se mueve atrás y adelante dentro de la trampa replicando, de este modo, el movimiento de un motor típico. El átomo no sólo actúa de la misma forma que un motor, sino que también almacena energía.

Los investigadores realizaron amplias pruebas para determinar el comportamiento termodinámico de su motor. Afirman en su publicación que el motor de partícula única puede generar una potencia de 10-22 watts y funciona con una eficiencia del 0.3 por ciento. Si la potencia de este tipo de motor se escalase a partir de la minúscula masa de un átomo, su emisión sería equivalente a la del motor de un coche. “Invirtiendo el ciclo, incluso podríamos usar el dispositivo como un frigorífico de un átomo, y emplearlo para enfriar nanosistemas acoplados a él”, explica Johannes Roßnagel, primer autor del estudio.

Sin embargo, el principal objetivo de esta investigación es la creación de un nanomotor que proporcione una visión sobre la termodinámica a nivel de partículas aisladas, que actualmente es un tema de investigación candente. Hay planes para reducir la temperatura de funcionamiento de modo que puedan investigarse los efectos cuánticos termodinámicos. En teoría, se supone que la potencia de un motor de calor puede aumentarse uniéndolo a un baño de calor cuántico proporcionando, de este modo, una miríada de posibilidades que pueden usarse para ir más allá de los límites estándar aceptados en la termodinámica clásica, y construir un nuevo tipo de motores.

El proyecto es parte del trabajo “Single ion heat engine” patrocinado por una beca de investigación de la Fundación Alemana de Investigación, y recibe patrocinio adicional dentro del marco del proyecto “Atomic nano assembler” de la Fundación Volkswagen.

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