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触碰量子边界:科学家研制仅16个原子的纳米马达

2020/6/24 4:37:11 来源:原创 浏览:

Empa 和 EPFL 的研究人员,已经打造了有史以来最小的纳米电机。其仅包含了 16 个原子,甚至已经触及经典物理学和量子领域的边界。图中蓝色的是六个钯原子、红色是六个镓原子,灰色的则是乙炔分子(四个原子)。与宏观世界的对照物一样,微型马达由可运动的转子和固定的定子部件组成。

(图自:Empa)

微型马达的定子是由六个钯原子和六个镓原子组成的簇,其排列为大致呈三角形。

而转子则是由四个原子的乙炔分子组成,它可以在定子的表面上旋转,整体尺寸还不到 1 nm 。

分子马达可由热能或电力驱动,实验中也是后者更加实用。在室温条件下,研究人员发现转子会随机地来回旋转。

但当使用电子扫描显微镜施加电流时,转子就能以 99% 的稳定性保持在一个方向上旋转,使之较以往的分子马达更加实用。

研究人员称,新型迷你电机不仅可用于移动小型机器,还可用于纳米级的能量收集。

纳米马达在不同位置的扫描电子显微镜图像(via Empa)

新马达还有一些奇怪的特性,比如采用类似棘轮的方式在一个方向上旋转。通常这需要实用带倾斜齿和棘爪的齿轮来完成,齿轮沿着平坦侧滑动,但不能逆向爬回另一侧。

然而这种纳米马达的分子似乎忽略了相对平顺的路线,更喜欢反向挑战高难度。尽管与宏观世界的直觉相反,但其效果基本相同(转子都是沿着一个方向旋转)。

此外分子马达似乎打破了经典物理学定律,因为宏观世界需要设法用最少的能量来克服阻力,比如不踩踏板就指望着自行车自己去爬坡。

研究人员发现,即使在极少量的热能或电能的作用下,转子也能运动 —— 即便远少于使转子旋转所需的“量”(意味着低于 -256°C / -248.8°F,或施加低于 30 mV 的电压)。

Smallest Motor in the World(via)

显然,在微观世界中发生的这一现象,已经触碰到了量子物理的边界,甚至出现了量子隧穿。

实际上,科学家们经常可以观察到粒子在没有足够能量的情况下‘穿越’障碍物。以自行车为例,这不像是不踩踏板就冲到山顶,而是直接被传送到了另一侧的山坡。

不过这种解释也带来了新的问题,因为量子隧穿被认为是无摩擦的。如果是这种情况,那转子将在任意方向随机旋转。但从它倾向于 99% 的概率选择来看,此过程中还是有能量正在丢失。

首席研究员 Oliver Gröning 称,这项研究或有助于我们找到量子隧穿过程中的能量耗散原因。

详情已发布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,原标题为《Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion》。

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