Augsburger Wissenschaftler haben in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ ein Konzept für einen minimalen Elektromotor vorgestellt, der erstaunlicherweise mit nur zwei Atomen auskommt. Das Prinzip dabei ist ganz einfach: Man benötigt ein Starter- und ein Motor-Atom in einem Laserlicht-Ring – und dann noch etwas Feintuning, damit es immer in die richtige Richtung geht.
Das Prinzip des alltäglichen und allseits bekannten Elektromotors ist, dass mit elektrischer Energie mechanische Arbeit verrichtet wird. Die Forscher um Professor Peter Hänggi, Alexey Ponomarev und Sergey Denisov von der Universität Augsburg beschreiben in den Physical Review Letters, wie sich dieses Prinzip in die Nanowelt, also auf die Ebene einzelner Atome übertragen lässt.
„Da auf dieser Ebene nicht die Gesetze der klassischen Physik regieren, sondern die der Quantenmechanik, ist hier die Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische Arbeit eine keineswegs triviale Herausforderung“, betont Hänggi. Angegangen sind er, Ponomarev und Denisov die Herausforderung eines magnetisch angetriebenen Atom-Quantenmotors, indem sie zunächst zwei Atome – ein Motor-Atom und ein Starter-Atom – in einem Laserlicht-Ring gefangen haben.
Auf die Richtung kommt es an
Zum Motor wird diese Konstruktion, wenn Motor- und Starter-Atom aufeinandertreffen, dadurch in elektromagnetische Wechselwirkung treten und das Starter- dem Motor-Atom einen „Kick“ versetzt. „Da wir uns hier in einer Welt ohne Reibung bewegen, ist es entscheidend, dem sozusagen kickgestarteten Motor-Atom nun eine bestimmte Richtung vorzugeben, damit dieser Motor auch Arbeit gegen eine äußere Kraft verrichten kann“, erläutert Hänggi.
Zu diesem Zweck muss die Symmetrie in der Zeitrichtung gebrochen werden, weil ansonsten Vor- und Rückwärtsbewegung des Motor-Atoms im Laserlicht-Ring die gleiche Chance hätten. Damit das Motor-Atom auf Kurs bleibt bzw. immer wieder in die richtige Richtung umkehrt, bedarf es einer spezifischen, fein abgestimmten Wahl äußerer elektrodynamischer Kräfte. „Dieses ‚Tuning‘, das ein falsches Wenden des Motor-Atoms im Ring verhindert, ist das Entscheidende“, betont Hänggi.
Nicht zu stoppen
Was diesen kleinsten Motor der Welt allen anderen überlegen macht: „Er läuft beim Abschalten des elektromagnetischen Antriebs einfach munter weiter, da es in seiner auf zwei Atome beschränkten Quantenwelt keine Reibung gibt, die ihn stoppen würde.“
Bei Motorschaden zum Quanten-Mechaniker?
Eine außergewöhnliche praktische Folge hat dieses Ergebnis physikalisch-theoretischer Grundlagenforschung auch noch: Im Falle seines Reparaturbedarfs würde dieser Motor den völlig neuen Beruf des Quanten-Mechanikers erforderlich machen…
(idw – Universität Augsburg, 29.06.2009 – DLO)
