Motor aus einem Atom

Blick in Vakuumkammer, in der sich die Atom-Falle befindet / Bildquelle: AG Quantum, JGU

Physiker bauen die kleineste Wärmekraftmaschine der Welt, die mit einem einzelnen Atom arbeitet.

Das Wissenschaftsmagazin Science berichtet in seiner aktuellen Ausgabe über eine neuartige Wärmekraftmaschine, die mit nur einem einzelnen Atom funktioniert. Die Experimente wurden in der Arbeitsgruppe QUANTUM am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.

Teil des Lasersystems, mit dem das Atom abwechselnd geheizt und gekühlt wird / Bildquelle: AG Quantum, JGU

Von links: Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer (Projektleiter), Johannes Roßnagel (Doktorand) und Univ.-Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler (Leiter von QUANTUM) vor dem experimentellen Aufbau der Wärmekraftmaschine  / Bildquelle: AG Quantum, JGU

Seit der industriellen Revolution spielen Wärmekraftmaschinen in unserer Gesellschaft eine entscheidende Rolle. Sie wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, und sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig führt die Miniaturisierung zu immer kleineren technischen Geräten.

Die Wissenschaftler um Univ.-Prof Dr. Kilian Singer, Leiter des Projekts an der JGU und inzwischen Professor an der Universität Kassel, nutzten eine Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern. Das Atom kann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt werden. Dadurch durchläuft es einen thermodynamischen Kreisprozess, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt. Somit spielt das Atom die Rolle des Motors und des Energiespeichers gleichermaßen.

In ausführlichen Messreihen konnten die Physiker das thermodynamische Verhalten des Motors charakterisieren. Wie die Forscher nun in ihrer Veröffentlichung zeigen, liefert der Ein-Atom-Motor eine Leistung von 10^-22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. Normiert man die Leistung der Einzelatommaschine auf die geringe Masse eines Atoms, ist ihre Leistung vergleichbar mit der eines Automotors. Durch die Umkehr des Kreisprozesses kann die Maschine als einatomigen Kühlschrank betrieben und damit gekoppelte Nanosysteme gekühlt werden, so Johannes Roßnagel, Erstautor der Studie.

Besonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, dass die Realisierung eines solchen Nanomotors einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hochaktuelles Forschungsgebiet. In Zukunft ist geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und thermodynamische Quanteneffekte zu untersuchen. Theoretische Arbeiten haben vorgeschlagen, die Leistung einer Wärmekraftmaschine durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern. So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.

Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projekts Einzelionenwärmekraftmaschine und durch die VolkswagenStiftung im Rahmen des Projekts Atomarer Nanoassembler gefördert.

Veröffentlichung: Johannes Roßnagel et al., A single-atom heat engine, Science, 15. April 2016, DOI: 10.1126/science.aad6320

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