Mesin atom tunggal ini melanggar hukum fisika, dapat mendorong kemajuan dalam komputasi kuantum

Penemuan baru dari Universitas Mainz Jerman bukan hanya mesin terkecil di dunia dengan selisih yang sangat besar, tetapi juga mungkin telah melanggar batas teoritis untuk efisiensi mesin. Perangkat tersebut, yang disebut 'mesin atom', menghasilkan tenaga berkat pergerakan satu atom yang terperangkap dan dimanipulasi. Ini adalah pencapaian luar biasa yang, meskipun tidak terlalu berguna untuk teknik dalam jangka pendek, dapat merevolusi pemahaman kita tentang dunia kuantum. Plus, ini sangat rapi.

Terlepas dari ukurannya, mesin ini sebenarnya berpola setelah salah satu desain mesin yang paling sederhana, yang disebut mesin Carnot. Ide ini pada dasarnya menggambarkan mesin apa pun yang menciptakan pekerjaan mekanis dari perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain - bayangkan jika termos Anda dapat memberi daya pada generator listrik kecil untuk tampilan suhu LCD, cukup lepas dari hilangnya panas secara perlahan ke atmosfer. 'Mesin' ini menahan ion kalsium tunggal (atom bermuatan) yang terperangkap dalam kerucut energi elektromagnetik yang disebut perangkap Paul. Di ujung kerucut yang sempit, perangkat menerapkan laser pemanas yang menambahkan energi ke elektron atom, menyebabkan elektron menjadi lebih tolak-menolak ke inti yang bermuatan positif dan mengorbit lebih jauh. Karena atom terjepit begitu erat di ujung yang sempit, ekspansi ini menyebabkannya bergerak cepat di sepanjang kerucut menuju ujung lebar - di mana ia bertemu dengan laser pendingin.

Sebuah atom kalsium, dan konfigurasi elektronnya

Sebuah atom kalsium, dan konfigurasi elektronnya. Elektron dapat jatuh ke dalam banyak kulit yang berbeda, dan dapat berpindah di antara mereka sewaktu-waktu.



Ini adalah mekanisme perpindahan panas dasar dari mesin, dan dari segi fungsinya dapat dianggap sama secara luas dengan piston yang bergerak dari mesin pembakaran; dalam hal ini, atom adalah bahan bakar yang dapat digunakan kembali. Bensin dipanaskan (dibakar) dan mengembang, bekerja, sebelum didinginkan dan dikontrak lagi. Satu-satunya perbedaan nyata adalah kita harus terus menambahkan lebih banyak bensin ke mesin agar proses tetap berjalan, jadi masukan energinya adalah bahan kimia. Di sini, sebagian besar atom tetap statis dan sistem menerima energinya melalui laser pemanas. Siklus pemanasan diatur bertepatan dengan resonansi alami atom, sehingga dengan setiap siklus gerakannya menjadi lebih bertenaga.

Para peneliti sebenarnya menambahkan satu fitur lagi sebelum diterbitkan, yang mereka anggap setara dengan 'supercharger' untuk mesin atom mereka. Ketika atom berada di ujung pemanasan kerucut, sistem tiba-tiba mengirimkan pulsa untuk mengintensifkan dan mengkontraksikan kerucut energi yang membuat atom tetap lurus, menekannya. Ini memulai salah satu status kuantum merek dagang 'aneh', yang disebut 'kondisi terjepit'. Ini pada dasarnya hanyalah cara lain untuk menambahkan energi ke sistem, melengkapi laser pemanas, dan menyebabkan atom berdenyut saat berpacu menuju ujung pendinginan. Meskipun mungkin tampak seperti tambahan kecil, para peneliti mengklaim itu dapat meningkatkan sistem hingga empat kali lipat efisiensi energi normalnya.

Mesin pembakaran 4 tak.

Mesin pembakaran 4 tak.

Efisiensi itu mematahkan batas teoritis lama untuk efisiensi mesin Carnot, meskipun mengingat betapa terbatasnya mesin ini dalam aplikasi, itu mungkin tidak terlalu mengejutkan. Seperti yang kita lihat dalam berbagai eksperimen kuantum baru-baru ini, terutama penelitian terbaru yang menyatakan pernah melanggar Hukum Ketiga Newton, apa yang mungkin terjadi pada tingkat atom dan sub-atom belum tentu dapat digeneralisasikan ke dunia makroskopis yang kita tinggali. Itu tidak berarti itu tidak dapat berguna dalam beberapa hal, tetapi itu berarti bahwa batas Carnot berarti semua tujuan praktis. Dalam hal aplikasi dunia nyata, jumlahnya tidak terlalu banyak; meskipun kecil di elemen yang paling penting, mengontrol laser mesin, bidang EM, dan perangkat perekam menghabiskan sebagian besar lab. Dan meski efisiensinya sangat tinggi, itu masih saja untuk ukurannya. Kemampuan sebenarnya untuk melakukan pekerjaan sangat kecil.

Namun, mesin ini dapat mendorong kemajuan nyata di bidang lain, terutama dalam komputasi kuantum. Transfer panas, seringkali secara siklis, merupakan bagian besar dari tantangan teknik di balik pembangunan komputer kuantum dan perangkat komunikasi kuantum. Semakin baik kita memahami perilaku atom, dan semakin baik kita mengontrol perilakunya sedemikian ekstrim, semakin cepat kita dapat membuat dunia kuantum mulai bekerja untuk kita.

Copyright © Seluruh Hak Cipta | 2007es.com