Innovation: Die Arbeitsgruppe QUANTUM entwickelt den ersten Ein-Atom-Motor
Die Miniaturisierung der Wärmekraft
Foto: AQ Quantum, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
Die Vakuumkammer in Mainz: Mittels Paul-Falle liefert sie revolutionäre Ergebnisse. Foto: AQ Quantum, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
Die Vakuumkammer in Mainz: Mittels Paul-Falle liefert sie revolutionäre Ergebnisse.

ForscherInnen ist es gelungen, eine Wärmekraftmaschine zu entwickeln, die mit nur einem einzelnen, elektrisch geladenen Kalzium-Atom arbeitet. Das gab die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) am 15. April bekannt. Der Erfolg des Mainzer Instituts für Physik ist Resultat einer Kooperation mit theoretischen PhysikerInnen der Universität Erlangen-Nürnberg und Professor Kilian Singer von der Universität Kassel.

Grundlegend beruhten Motoren auf thermodynamischen Prinzipien, also einer sehr großen Anzahl von am Prozess beteiligten Atomen und Molekülen, so Professorin Karina Morgenstern vom Lehrstuhl für physikalische Chemie an der RUB. Diese Anzahl sei so groß,  dass man bei der Beschreibung eines thermodynamischen Prozesses „die Eigenschaften der einzelnen Partikel nicht mehr betrachtet, sondern alle zusammen als eine Einheit sieht.“  

Die Faszination liege nun  darin, dass es den ForscherInnen um Professor Kilian Singer gelungen ist, ebendiese Art der Betrachtung zu ermöglichen.

Das Experiment 

Für die Speicherung des elektrisch geladenen Kalzium-Atoms verwendete die Arbeitsgruppe eine sogenannte Paul-Falle. In dieser wird das Atom durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt – ein thermodynamischer Kreisprozess entsteht. Die daraus resultierende Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt, die, wie es in der offiziellen Pressemitteilung der JGU heißt, folglich die „Rolle des Motors und des Energiespeichers gleichermaßen“ annimmt. Diese Leistung  ergebe  normiert in etwa die eines Automotors.

Bahnbrechend für die Grundlagen­forschung 

Mit dieser Entdeckung sei die Forschung an eine klassische Grenze getreten, so Morgenstern. „Alle klassischen Aspekte eines Motors können nun in Experimenten mit einem einzelnen Atom getestet werden. Jenseits dieser Grenze tritt man dann in die Quantenwelt, in der klassische Gesetze nicht mehr gelten.“ Des Weiteren sei diese Entdeckung von enormer Bedeutung für alle Natur- und Ingenieurwissenschaften, da besonders letztere darauf angewiesen seien, das Verhalten nanoskaliger Elemente physikalisch zu verstehen.

 

:Tobias Möller