Động cơ nhiệt làm bằng spin của một ion

Bằng cách biến đổi spin electron thành chuyển động ion, các nhà nghiên cứu đã tạo ra được một động cơ nhiệt đơn giản từ một ion calcium.

Động cơ nhiệt biến đổi năng lượng nhiệt thành chuyển động. Ví dụ, tua bin hơi nước ở nhà máy điện sử dụng áp lực của hơi nước để làm quay một rotor. Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng các nguyên lí tương tự để phát triển các động cơ nhiệt cấp nguyên tử làm bằng các hệ, ví dụ các ion độc thân và các tạp chất trong kim cương. Nay Ulrich Poschinger tại Đại học Mainz, Đức, và các cộng sự vừa phát triển một động cơ nhiệt biến đổi năng lượng spin điện tử của một ion calcium thành chuyển động của hạt này.

Để tạo ra động cơ nhiệt của họ, đội nghiên cứu bẫy ion calcium bằng điện trường và điều khiển sự định hướng của spin electron hóa trị của nó bằng bức xạ laser. Sau đó, họ dùng một laser khác ghép cặp trạng thái spin với chuyển động của ion. Bằng cách làm luân phiên trạng thái spin, họ làm ion chuyển động tới lui, giống như một dao động tử điều hòa đơn giản.

Một động cơ nhiệt gồm bốn thành phần: một tác nhân sinh công (ví dụ hơi nước trong tua bin), hai bể nhiệt ở nhiệt độ khác nhau, và một cơ chế khai thác công. Áp dụng khuôn khổ này cho ion calcium, spin của electron hóa trị giữ vai trò tác nhân sinh công. Một laser điều khiển trạng thái spin của ion phỏng theo sự kết hợp với bể nóng và bể lạnh, trong thí nghiệm chúng có nhiệt độ lần lượt là 3,5 mK và 0,4 mK. Laser còn lại có nhiệm vụ biến đổi trạng thái spin của ion thành chuyển động, tương ứng với cơ chế khai thác công. Bằng cách mô tả đặc trưng động cơ đơn giản này, đội nghiên cứu muốn hướng tới hiểu rõ hơn nhiệt động lực học ở cấp nguyên tử.

Nghiên cứu này công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: APS Physics

Bài trước | Bài kế tiếp