La camera a vuoto che contiene il dispositivo che contiene la trappola ionica descritta nello studio. Crediti: AG QUANTUM
I motori termici hanno svolto un ruolo fondamentale nel plasmare la nostra società, fin dalla rivoluzione industriale. A partire dai motori delle automobili, che trasformano l’energia termica in energia meccanica, buona parte della nostra vita è ormai basata sull’esistenza e il funzionamento di questi dispositivi. Con il passare del tempo si è innescato un processo di miniaturizzazione, che ci sta portando verso motori sempre più piccoli.
Un team di ricercatori guidato dal professor Kilian Singer, a capo del progetto presso l’Università di Mainz e professore presso l’Università di Kassel, ha utilizzato una trappola ionica di Paul per catturare un singolo atomo di calcio elettricamente carico. La trappola ionica di Paul, chiamata anche trappola ionica quadrupolare, utilizza una corrente continua e una alternata nelle radio frequenze per intrappolare gli ioni all’interno del dispositivo. Il singolo atomo può essere sottoposto a un vero e proprio ciclo termodinamico, durante il quale viene alternativamente riscaldato e raffreddato. Questo significa che la particella si muove avanti e indietro all’interno della trappola, proprio come accade all’interno di un motore.
Da sinistra a destra: il professor Kilian Singer, a capo del progetto, il dottorando Johannes Roßnagel, e il professor Ferdinand Schmidt-Kaler, a capo del team QUANTUM. I tre co-autori dello studio posano davanti dell’apparecchiatura sperimentale utilizzata per creare il motore atomico presso l’Università di Mainz. Crediti: AG QUANTUM
I ricercatori hanno condotto test per determinare il comportamento termodinamico di questo peculiare motore. Nel loro articolo affermano che il motore a singolo atomo da loro costruito è in grado di generare una potenza pari a 10-22 Watt e di operare con un’efficienza dello 0.3%. Riscalando la potenza del motore sulla base di rapporti di massa, il suo rendimento è pari a quello del motore di un’automobile. «Invertendo il ciclo si potrebbe anche utilizzare il motore a singolo atomo come un dispositivo di raffreddamento e impiegarlo per abbassare la temperatura di nanosistemi», spiega Johannes Roßnagel, dottorando presso l’Università di Mainz e primo autore dello studio.
Tuttavia, l’obiettivo principale di questa ricerca è la realizzazione di un nano-motore, poiché grazie a studi di questo tipo è possibile comprendere meglio la termodinamica su scale di singola particelle, un tema di ricerca attualmente molto caldo. Gli sviluppi futuri sono indirizzati ad abbassare ulteriormente la temperatura di funzionamento del motore, per poter studiare gli effetti termodinamici quantistici. La fisica sta dunque spostando i limiti della termodinamica classica, permettendoci di costruire nuove tipologie di motore che rivoluzioneranno le nostre conoscenze e capacità.
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “A single-atom heat engine” di Johannes Roßnagel, Samuel T. Dawkins, Karl N. Tolazzi, Obinna Abah, Eric Lutz, Ferdinand Schmidt-Kaler e Kilian Singer