Thermodynamik in linearen Ionenfallen

Wärmekraftmaschine mit einzelnen Ionen

Thermodynamische Systeme werden im Allgemeinen durch Mittelung über Vielteilchensysteme behandelt. Auf diesem Weg wird auch die Dynamik klassischer thermodynamischer Maschinen analysiert. Wir reduzieren ein solches System bis zum äußersten Limit: ein einzelnes Teilchen. Hierbei gehen wir der Frage nach, ob die bekannten Gesetze der Thermodynamik auch in einem solchen System Anwendung finden. Ändern sich diese, wenn Quantenzustände ein Rolle spielen?

Abb. 1: Lineare Paulfalle für die Wärmekraftmaschine. Die konische Geometrie erlaubt eine Umsetzung der radialen Zustände in eine axiale Bewegung.

Um einen Otto-Kreisprozess für ein Ein-Teilchen-System zu realisieren, wird ein einzelnes Ion in einer linearen Paulfalle mit speziell geformten Elektroden gefangen (vgl. Abb 1), und an Wärmebäder gekoppelt. Diese Wärmebäder können durch verstimmte Laserstrahlung oder elektronisches Rauschen erzeugt werden und heizen und kühlen die radiale Komponente des thermischen Zustands des Ions im Wechsel (Abb 2). Die zugeführte Wärme wird umgesetzt in eine kohärente Bewegung des Ions entlang der Fallenachse, aus der die erzeugte Leistung bestimmt werden kann. Mit Monte-Carlo Simulationen unter realistischen Bedingungen konnten wir zeigen, dass Effizienzen von 30% bei maximaler Leistung erreicht werden können.

Abb 2. Durch den Kreisprozess der Wärmekraftmaschine wird das Heizen und Kühlen des radialen Zustands in eine kohärente Bewegung in axialer Richtung umgesetzt. Hierfür wird der Kreisprozess in Resonanz mit der axialen Eigenschwingung des Ions in der Falle betrieben.
Abb. 3: Klassisches Analogon: der Zylinder und ein Schwungrad.

Beteiligte Mitarbeitende

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Prof. Dr. Kilian Talo Theodor Singer
Experimentalphysik I - Licht-Materie-Wechselwirkung
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