En multitasking nanomaskin som kan fungera som värmemotor och kylskåp samtidigt har skapats av RIKEN -ingenjörer. Enheten är en av de första som testade hur kvanteffekter, som styr partiklarnas beteende i minsta skala, kan en dag utnyttjas för att förbättra prestanda för nanoteknik.

Konventionella värmemotorer och kylskåp fungerar genom att ansluta två pooler av vätska. Komprimering av en pool får sin vätska att värmas upp, medan den andra poolen snabbt expanderar kyler dess vätska. Om dessa åtgärder utförs under en periodisk cykel, poolerna kommer att utbyta energi och systemet kan användas som antingen en värmemotor eller ett kylskåp.

Det skulle vara omöjligt att sätta upp en makroskala som utför båda uppgifterna samtidigt - inte heller skulle ingenjörer vilja, säger Keiji Ono från RIKEN Advanced Device Laboratory. "Att kombinera en traditionell värmemotor med ett kylskåp skulle göra det till en helt värdelös maskin, "säger han." Den skulle inte veta vad han ska göra. "

Men saker är annorlunda när man krymper saker. Fysiker har utvecklat allt mindre enheter, ibland baserat på enstaka atomer. På dessa små skalor, de måste ta hänsyn till kvantteorin - den konstiga uppsättning lagar som säger, till exempel, en elektron kan existera på två ställen samtidigt eller ha två olika energier. Fysiker utvecklar nya teoretiska ramar och experiment för att försöka räkna ut hur sådana system kommer att bete sig.

Kvantversionen av värmemotorn använder en elektron i en transistor. Elektronen har två möjliga energitillstånd. Teamet kan öka eller minska klyftan mellan dessa energitillstånd genom att applicera ett elektriskt fält och mikrovågor. "Detta kan vara analogt med den periodiska expanderande -komprimeringsoperationen av en vätska i en kammare, säger Ono, som ledde experimentet. Enheten sände också ut mikrovågor när elektronen gick från högenerginivån till den lägre.

Genom att övervaka om den övre energinivån var upptagen, teamet visade först att nanodelenheten kan fungera antingen som en värmemotor eller som ett kylskåp. Men sedan visade de något mycket främmande - nanomaskinen kunde fungera som båda samtidigt, vilket är en rent kvanteffekt. Forskarna bekräftade detta genom att titta på beläggningen av den övre energinivån, som kombinerades för att skapa ett karakteristiskt störningsmönster. "Det var en nästan perfekt matchning mellan det experimentella interferensmönstret och det som förutses av teori, säger Ono.

"Detta kan möjliggöra snabb växling mellan de två driftsätten, "Ono förklarar." Denna förmåga kan hjälpa till att skapa nya applikationer med sådana system i framtiden. "