Atom als Wärmekraftmaschine

Seit der industriellen Revolution spielen Wärmekraft­maschinen in unserer Gesell­schaft eine entscheidende Rolle. Sie wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, und sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Gleich­zeitig führt die Miniaturisierung zu immer kleineren technischen Geräten. Die Wissenschaftler um Kilian Singer, Projekt­leiter an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und inzwischen Professor an der Universität Kassel, nutzten eine Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern.

Das Atom lässt sich durch elektrisches Rauschen heizen und mittels Laser­strahlen kühlen. Dadurch durchläuft es einen thermo­dynamischen Kreis­prozess, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt. Somit spielt das Atom die Rolle des Motors und des Energie­speichers gleicher­maßen. Die entsprechenden Experimente hat die Arbeits­gruppe QUANTUM am Institut für Physik der aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.

In ausführlichen Messreihen konnten die Physiker das thermo­dynamische Verhalten des Motors charakterisieren. Wie die Forscher nun zeigen konnten, liefert der Ein-Atom-Motor eine Leistung von 10^-22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. Normiert man die Leistung der Einzel­atom­maschine auf die geringe Masse eines Atoms, ist ihre Leistung vergleichbar mit der eines Auto­motors. „Durch die Umkehr des Kreisprozesses können wir die Maschine als ein­atomigen Kühl­schrank betreiben und damit gekoppelte Nano­systeme kühlen", teilt Johannes Roßnagel, Erstautor der Studie, dazu mit.

Besonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, dass die Realisierung eines solchen Nano­motors einen Einblick in die Thermo­dynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hoch­aktuelles Forschungs­gebiet. In Zukunft ist geplant, die Arbeits­temperatur der Maschine weiter abzusenken und thermo­dynamische Quanten­effekte zu untersuchen. Theoretische Arbeiten haben vorgeschlagen, die Leistung einer Wärme­kraft­maschine durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern. So bieten sich viel­fältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermo­dynamik hinaus­zugehen und neuartige Motoren zu bauen. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungs­gemeinschaft im Rahmen des Projekts „Einzel­ionen­wärme­kraft­maschine" und durch die VolkswagenStiftung im Rahmen des Projekts „Atomarer Nanoassembler" gefördert.

JGU / DE