觸碰量子邊界:科學傢研制僅16個原子的納米馬達

Empa 和 EPFL 的研究人員,已經打造瞭有史以來最小的納米電機。其僅包括瞭 16 個原子,乃至已經涉及經典物理學和量子范疇的邊界。圖中藍色的是六個鈀原子、紅色是六個鎵原子,灰色的則是乙炔份子(四個原子)。與微觀世界的比較物一樣,微型馬達由可運動的轉子和固定的定子部件構成。

(圖自:Empa)

微型馬達的定子是由六個鈀原子和六個鎵原子構成的簇,其陳列為大體呈三角形。

而轉子則是由四個原子的乙炔份子構成,它能夠在定子的外表上旋轉,全體尺寸還不到 1 nm 。

份子馬達可由熱能或電力驅動,實行中也是後者愈加適用。在室溫前提下,研究人員發現轉子會隨機地往返旋轉。

但當運用電子掃描顯微鏡施加電流時,轉子就可以以 99% 的穩固性堅持在一個方向上旋轉,使之較以往的份子馬達愈加適用。

研究人員稱,新型迷你電機不隻可用於挪動小型機器,還可用於納米級的能量搜集。

納米馬達在不同位置的掃描電子顯微鏡圖象(via Empa)

新馬達還有一些怪異的特征,譬如采納相似棘輪的方式在一個方向上旋轉。每每這須要適用帶歪斜齒和棘爪的齒輪來完成,齒輪沿著平整側滑動,但不能逆向爬回另外一側。

但是這類納米馬達的份子仿佛疏忽瞭相對於平順的道路,更喜愛反向應戰高難度。隻管與微觀世界的直覺相反,但其效果基底細同(轉子都是沿著一個方向旋轉)。

此外份子馬達仿佛突破瞭經典物理學定律,由於微觀世界須要設法用起碼的能量來克制阻力,譬如不踐踏板就希望著自行車自己去爬坡。

研究人員發現,即便在少少量的熱能或電能的作用下,轉子也能運動 —— 即使遠少於使轉子旋轉所需的“量”(象征著低於 -256°C / -248.8°F,或施加低於 30 mV 的電壓)。

Smallest Motor in the World(via)

顯然,在宏觀世界中發生的這一情況,已經觸碰著瞭量子物理的邊界,乃至出現瞭量子隧穿。

實際上,科學傢們常常能夠察看到粒子在沒有足夠能量的狀況下‘穿梭’妨礙物。以自行車為例,這不像是不踐踏板就沖到山頂,而是直接被傳遞到瞭另外一側的山坡。

不過這類表明也帶來瞭新的問題,由於量子隧穿被以為是無摩擦的。假如是這類狀況,那轉子將在恣意方向隨機旋轉。但從它傾向於 99% 的幾率選擇來看,此進程中還是有能量正在遺失。

首席研究員 Oliver Gröning 稱,這項研究或有助於我們找到量子隧穿進程中的能量耗散原因。

詳情已公佈在《美國國傢科學院院刊》(PNAS)上,原題目為《Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion》。

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