(Phys.org)—Illustrerar det ovanliga sättet saker fungerar på nanoskala, forskare har designat ett nytt nanoelektromekaniskt system (NEMS) som producerar mekanisk rörelse på grund av interaktioner mellan elektroner - men till skillnad från liknande system, detta system kräver ingen elektrisk ström. Istället, elektron-elektron-interaktionerna kopplar två elektronreservoarer med olika temperaturer, som genererar ett värmeflöde mellan dem som får ett suspenderat kolnanorör att vibrera.

Forskarna, A. Vikström och medförfattare från Chalmers tekniska högskola i Göteborg, Sverige, och B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering vid National Academy of Sciences of Ukraine i Kharkov, Ukraina, har publicerat en artikel om NEMS-enheten i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Mikroskopiska enheter som kombinerar elektronik med mekanik - MEMS (mikroelektromekaniska system) - är allestädes närvarande i den moderna världen, " berättade Vikström Phys.org . "Sensorerna inuti våra smarta telefoner som bestämmer acceleration, orientering, etc., är goda exempel. När elektroniska enheter blir mindre, det pågår ett pågående försök att ersätta sådana mikroskopiska strukturer med nanoskopiska – NEMS. Vår forskning hör hemma i denna kategori; vi föreslår, modell, och studera nya NEMS-enheter. NEMS-värmemotorn som vi har föreslagit är speciell genom att den omvandlar ett värmeflöde till mekanisk rörelse utan att behöva eller generera en elektrisk ström."

Även om det har funnits andra förslag där enkelelektronfenomen orsakar mekaniska vibrationer i NEMS-enheter, dessa mekanismer kräver vanligtvis en elektrisk ström. Om den strömmen är blockerad, då fungerar inte dessa mekanismer längre.

Den nya föreslagna mekanismen skiljer sig genom att den avsiktligt blockerar all elektrisk ström. Systemet består av ett kolnanorör hängande mellan två elektrodledningar, med ledningsparet som fungerar som en elektronreservoar. En spetselektrod ovanför nanoröret fungerar som en andra reservoar, innehåller elektroner med motsatt spinn som elektronerna i den första reservoaren. Elektroner kan tunnla fritt från sina reservoarer till nanoröret och tillbaka. Men eftersom elektronerna från olika reservoarer har motsatta snurr, de kan inte resa till motsatt reservoar, och så det finns ingen avgiftsöverföring.

Saker och ting börjar bli intressanta när elektronreservoarerna har olika temperaturer. Sedan när kalla elektroner från en reservoar och heta elektroner från den andra reservoaren går till nanoröret, de samverkar och värme överförs från de heta till de kalla elektronerna. När de kalla elektronerna går tillbaka till sin kalla reservoar, de bär på extra energi, medan de heta elektronerna återgår till sin heta reservoar med mindre energi.

Om spetsbehållaren är varmare än elektrodbehållaren, då kommer det resulterande värmeflödet att avleda det upphängda nanoröret något mot denna reservoar. Genom att föra nanoröret och spetsreservoaren närmare varandra, denna avböjning ökar tunnlingshastigheten mellan dem. Den ökade tunnlingen producerar en återkopplingsmekanism, men med ett försenat svar, får nanoröret att vibrera. Så småningom stabiliseras vibrationsamplituden eftersom pumpningseffektiviteten minskar med amplituden. Genom att justera temperaturerna på reservoarerna, forskarna visade att riktningen och styrkan hos återkopplingsmekanismen kan kontrolleras, och vibrationerna kan antingen pumpas eller dämpas.

Eftersom systemet använder värmeflöde för att generera mekanisk rörelse, den fungerar effektivt som en värmemotor i nanoskala. Motorns effektivitet ökar när temperaturskillnaden ökar, och forskarna uppskattar att den maximala effektiviteten är några procent, begränsas av geometriska faktorer snarare än temperaturskillnad. Forskarna förväntar sig att systemet kan ha en mängd olika användningsområden.

"Om du betraktar det allmänna konceptet med en värmemotor och föreställer dig det i samband med en elektronisk krets, det är lätt att föreställa sig fördelarna, ", sa Vikström. "Värme finns alltid i elektriska kretsar som en biprodukt. Sådan värme är vanligtvis bara spillenergi, men om du kunde utnyttja det till, säga, driva andra integrerade NEMS-enheter, du skulle ha ett mer energieffektivt system."

Forskarna förklarar att den föreslagna designen skulle kunna realiseras experimentellt med hjälp av befintliga tekniker. De föreslår att vibrationerna kunde detekteras genom att applicera ett magnetfält vinkelrätt mot nanorörets rörelse, vilket skulle få en laddning på nanoröret att uppleva en kraft som växlar med avböjningen. Den växelström som den skulle generera kunde sedan mätas, ger bevis på nanorörets vibrationer.

© 2016 Phys.org