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Durchbruch des Jahres: Ein-Atom-Motor unter den Top Ten

Blick in Vakuumkammer, in der sich die Atom-Falle befindet. (Bild: Johannes Roßnagel)

FAU-Wissenschaftler haben zusammen mit Kollegen der Universitäten Mainz und Kassel die kleinste Wärmekraftmaschine der Welt gebaut: Die winzige Maschine besteht aus nur einem einzigen Atom und ist in der Lage, effektiv Wärme in Kraft umzuwandeln. Dafür hat das britische Magazin Physics World die Forscher nun unter die „Top Ten Breakthroughs of the Year“ gewählt.

Die Wissenschaftler der drei beteiligten Universitäten haben das Prinzip von klassischen Wärmekraftmaschinen, die zum Beispiel als Motoren Fahrzeuge antreiben, auf ein einziges elektrisch geladenes Kalzium-Atom angewendet. Vier nur wenige Millimeter lange Metallstäbchen halten das Teilchen in der Schwebe. Mithilfe eines elektrischen Rauschsignals wird das Atom dann in heftige Schwingungen versetzt und so aufgeheizt. Im zweiten Schritt wird es wieder abgekühlt, indem man seine Bewegungen abbremst.

Dazu beschießen die Wissenschaftler das Atom mit einem Laserstrahl. Durch das Aufheizen und Abkühlen wird das Atom in Schwingungen versetzt – vergleichbar mit dem Auf und Ab der Kolben in den Zylindern eines klassischen Motors. Mit jedem Aufwärm- und Abkühlzyklus vergrößert das Atom seinen Schwingungsradius und speichert so Energie. Besonders wichtig für die Grundlagenforschung ist, dass die Entwicklung eines solchen Nanomotors Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hochaktuelles Forschungsgebiet.

Als nächstes wollen die Forscher das Atom weiter abkühlen, um thermodynamische Quanteneffekte zu untersuchen. Laut Physics World könnte dies die Tür zur Forschung an der Schnittstelle von Thermodynamik und Quantenmechanik öffnen – und daher sieht das Magazin die Forschung der FAU-Wissenschaftler und Kollegen unter den Top Ten der Durchbrüche des Jahres 2016.

Jedes Jahr wählt die renommierte Zeitschrift Physics World, die von einer der größten physikalischen Gesellschaften, dem Institute of Physics, herausgegeben wird, weltweit die zehn bedeutendsten Entdeckungen in der Physik aus. Erst im Jahr 2013 wurden FAU-Astrophysiker für die Entdeckung der hochenergetischen kosmischen Neutrinos zum Breakthrough of the year gewählt. Die zehn Projekte werden dabei unter anderem nach den Kriterien der grundsätzlichen Bedeutung der Forschung, des erheblichen Wissensfortschritts, der starken Verbindung zwischen Theorie und Experiment sowie der Wichtigkeit für Physiker allgemein ausgesucht.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Eric Lutz
Tel.: 09131/85-28459
eric.lutz@fau.de