Teoretiska fysiker vid Trinity College Dublin är bland ett internationellt samarbete som har byggt världens minsta motor - som, som en enda kalciumjon, är ungefär tio miljarder gånger mindre än en bilmotor.

Arbete utfört av professor John Goolds QuSys -grupp i Trinity's School of Physics beskriver vetenskapen bakom denna lilla motor. Forskningen, publiceras idag i internationell tidskrift Fysiska granskningsbrev , förklarar hur slumpmässiga fluktuationer påverkar driften av mikroskopiska maskiner. I framtiden, sådana anordningar skulle kunna införlivas med annan teknik för att återvinna spillvärme och därmed förbättra energieffektiviteten.

Motorn själv - en enda kalciumjon - är elektriskt laddad, vilket gör det enkelt att fånga med elektriska fält. Motorns arbetssubstans är jons "inneboende snurrning" (dess vinkelmoment). Denna snurrning används för att omvandla värme som absorberas från laserstrålar till oscillationer, eller vibrationer, av den instängda jonen.

Dessa vibrationer fungerar som ett "svänghjul", som fångar den användbara energin som genereras av motorn. Denna energi lagras i diskreta enheter som kallas "quanta", som förutsagt av kvantmekanik.

"Svänghjulet gör att vi faktiskt kan mäta effekten från en motor i atomskala, lösa enstaka energikvant, för första gången, "säger Dr Mark Mitchison från QuSys -gruppen på Trinity, och en av artikelns medförfattare.

Starta svänghjulet från vila - eller mer exakt, från dess "marktillstånd" (den lägsta energin i kvantfysik) - teamet observerade den lilla motorn som tvingade svänghjulet att gå snabbare och snabbare. Avgörande, jontillståndet var tillgängligt i experimentet, tillåter fysikerna att exakt bedöma energipåfyllningsprocessen.

Docent i fysik på Trinity, John Goold sa:"Detta experiment och teori inleder en ny era för att undersöka energin i teknik baserad på kvantteori, som är ett ämne som är kärnan i vår grupps forskning. Värmehantering i nanoskala är en av de grundläggande flaskhalsarna för snabbare och effektivare datorer. Att förstå hur termodynamik kan tillämpas i sådana mikroskopiska inställningar är av yttersta vikt för framtida teknik. "

Det banbrytande experimentet genomfördes av en forskargrupp ledd av professor Ferdinand Schmidt-Kaler och Dr Ulrich Poschinger vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz, Tyskland.