Einzel-Atome thermische Maschinen

Einzel-Atome thermische Maschinen

Während thermodynamische Systeme im Allgemeinen durch Mittelung über Mehrkörpersysteme behandelt werden, versuchen wir, solche Systeme bis zur Bruchgrenze eines einzelnen Atoms abzubauen[1,2,3,4]. Wir haben experimentell einen nanoskaligen Wärmemotor mit einem einzelnen Ion als Arbeitsgas demonstriert. Ein Sterling-Cycle-Motor wurde implementiert, indem das Ion in einer linearen Paul-Falle mit kegelförmiger Geometrie eingeschlossen und mit technischen Behältern gekoppelt wurde[1].

Um einen solchen Wärmekraftwerk zu realisieren, wird ein einzelnes Ion in einer linearen Paul-Falle mit konischer Geometrie eingeschlossen (siehe Abb. 1). Es koppelt an thermische Reservoirs, die durch Laserstrahlung und angepasstes elektronisches Rauschen an den Elektroden erzeugt werden. Diese Reservoirs erwärmen und kühlen abwechselnd die radialen thermischen Zustände des Ions. Der Zyklus des Erwärmens und Kühlens wiederholt sich resonant mit der axialen Eigenfrequenz des Ions, wodurch eine Temperaturänderung im radialen Zustand in eine kohärente Bewegung entlang der Symmetrieachse der Falle umgewandelt wird.

Dieses Experiment eröffnete einen neuen Bereich für die Untersuchung der Thermodynamik auf Einzelatomebene und im Quantenregime. In diesem Projekt wollen wir experimentelle Antworten auf viele interessante Fragen geben, wenn die Thermodynamik auf die Quantenwelt trifft.

[1] A single-atom heat engine, Science, 352, 325-329 (2016).
[2] Nanoscale Heat Engine Beyond the Carnot Limit, Phys. Rev. Lett., 112, 030602 (2014).
[3] Single-Ion Heat Engine at Maximum Power, Phys Rev. Lett., 109, 203006 (2012).
[4] Transient non-confining potentials for speeding up a single ion heat pump, New Journal of Physics, 20, 105001 (2018).