Här är ett nytt kapitel i historien om miniatyrisering av maskiner:forskare i ett laboratorium i Singapore har visat att en enda atom kan fungera antingen som en motor eller ett kylskåp. En sådan enhet kan konstrueras till framtida datorer och bränsleceller för att styra energiflöden.

"Tänk på hur din dator eller bärbara dator har många saker inuti som värms upp. Idag kyler du det med en fläkt som blåser luft. I nanomaskiner eller kvantdatorer, små enheter som kyler kan vara något användbart, "säger Dario Poletti från Singapore University of Technology and Design (SUTD).

Detta arbete ger ny inblick i mekaniken hos sådana enheter. Arbetet är ett samarbete mellan forskare vid Center for Quantum Technologies (CQT) och Department of Physics vid National University of Singapore (NUS), SUTD och vid universitetet i Augsburg i Tyskland. Resultaten publicerades i peer-reviewed journal npj Quantum Information den 1 maj.

Motorer och kylskåp är båda maskiner som beskrivs av termodynamik, en vetenskapsgren som berättar hur energi rör sig inom ett system och hur vi kan utvinna användbart arbete. En klassisk motor förvandlar energi till användbart arbete. Ett kylskåp fungerar för att överföra värme, sänka den lokala temperaturen. Dom är, i vissa bemärkelser, motsatser.

Människor har tillverkat små värmemotorer innan de använde en enda atom, en enda molekyl och defekter i diamant. En viktig skillnad om den här enheten är att den visar kvantitet i sin handling. "Vi vill förstå hur vi kan bygga termodynamiska enheter med bara några atomer. Fysiken är inte väl förstådd så vårt arbete är viktigt för att veta vad som är möjligt, "säger Manas Mukherjee, en huvudutredare på CQT, NUS, som ledde det experimentella arbetet.

Forskarna studerade termodynamiken för en enda bariumatom. De utarbetade ett schema där lasrar flyttar en av atomens elektroner mellan två energinivåer som en del av en cykel, orsakar att viss energi pressas in i atomens vibrationer. Som om en bilmotor förbrukar bensin för att både flytta kolvar och ladda batteriet, atomen använder energi från lasrar som bränsle för att öka dess vibrerande rörelse. Atomens vibrationer fungerar som ett batteri, lagra energi som kan utvinnas senare. Ordna om cykeln och atomen fungerar som ett kylskåp, ta bort energi från vibrationerna.

I båda driftsätten, kvanteffekter dyker upp i samband mellan atomens elektroniska tillstånd och vibrationer. "I denna skala energiöverföringen mellan motorn och lasten är lite suddig. Det är inte längre möjligt att bara arbeta med lasten, du är tvungen att överföra lite värme, "säger Poletti. Han utarbetade teorin med kollaboratörerna Jiangbin Gong vid NUS Physics och Peter Hänggi i Augsburg. Fuzzinessen gör processen mindre effektiv, men experimenterna kunde ändå få det att fungera.

Mukherjee och kollegorna Noah Van Horne, Dahyun Yum och Tarun Dutta använde en bariumatom från vilken en elektron (en negativ laddning) avlägsnas. Detta gör atomen positivt laddad, så att den lättare kan hållas still i en metallkammare av elektriska fält. All annan luft tas bort från den. Atomen zappas sedan med lasrar för att flytta den genom en fyrstegscykel.

Forskarna mätte atomens vibration efter att ha applicerat 2 till 15 cykler. De upprepade ett givet antal cykler upp till 150 gånger, mäter i genomsnitt hur mycket vibrationsenergi som fanns i slutet. De kunde se vibrationsenergin öka när atomen fick en motorcykel, och minskar när zapparna följde kylcykeln.

Att förstå maskinen i atomstorlek involverade både komplicerade beräkningar och observationer. Teamet behövde spåra två termodynamiska mängder som kallas ergotropi, som är energin som kan omvandlas till användbart arbete, och entropi, som är relaterad till störning i systemet. Både ergotropi och entropi ökar när atommaskinen går. Det finns fortfarande ett enkelt sätt att se på det, säger första författare och doktorand. student Van Horne, "Löst talat, vi har designat en liten maskin som skapar entropi när den är fylld med fri energi, ungefär som barn när de får för mycket socker. "