Квантовая механика сокращает механизмы до атомного масштаба
Квантовая механика сокращает механизмы до атомного масштаба

Один атом может заменить машину: квантовая механика сокращает механизмы до атомного масштаба

Квантовая механика сокращает механизмы до атомного масштаба

Миниатюризация машин открыла новую главу. Ученые из Сингапура доказали, что один атом может функционировать как холодильник. Или как двигатель автомобиля. И уже в ближайшем будущем такие миниатюрные устройства будут встроены в компьютерные и топливные элементы и тем самым они смогут управлять огромными потоками энергии. Авторы исследования считают, что все гораздо проще, чем кажется: чтобы сделать машину размером с атом, нужна квантовая механика.

Ими уже были проведены эксперименты с одноатомными устройствами, которые позволили понять, какие именно квантовые эффекты вступают в действие, когда механизм уменьшается до атомного масштаба.


Дарио Полетти — один из авторов проекта, который говорит о присутствии разных деталей в компьютере или ноутбуке, которые нагреваются в процессе работы. Охлаждать их можно с помощью специального вентилятора. В квантовых компьютерах охлаждающие устройства могут быть более полезными, поскольку они дают новое понимание механики таких устройств.

Двигатели и холодильники — это устройства, описываемые термодинамикой, она доказывает, что в любой системе энергия движется и эту энергию можно перенаправить в полезное русло. Ключевым отличием этих устройств считается демонстрация квантовости в своих действиях. Ученые намерены понять, как можно создавать термодинамические устройства с несколькими атомами. Они провели эксперимент, изучив термодинамику одного атома бария.

В разработанной ими схеме были задействованы лазеры, которые перемещают один из электронов атома между двумя энергетическими уровнями как часть цикла, заставляя некоторую энергию толкать вибрации атома.


Атом использует энергию лазеров как автодвигатель, потребляющий бензин. При этом вибрации атома действуют как единая батарея, сохраняющая энергию для последующего использования. То есть в целом один атом бария действует как холодильник, извлекая энергию из вибраций, которые накапливают эту энергию в своеобразных батареях.

Во время эксперимента вибрации атома были измерены в определенных циклах. Тем самым они видели вибрационную энергию, которая увеличивалась во время движения атома с помощью цикла двигателя, и уменьшалась, когда перепады энергии следовали за циклом «холодильника».