Empa 和 EPFL 的研究人員，已經(jīng)打造了有史以來(lái)最小的納米電機(jī)。其僅包含了 16 個(gè)原子，甚至已經(jīng)觸及經(jīng)典物理學(xué)和量子領(lǐng)域的邊界。圖中藍(lán)色的是六個(gè)鈀原子、紅色是六個(gè)鎵原子，灰色的則是乙炔分子（四個(gè)原子）。與宏觀世界的對(duì)照物一樣，微型馬達(dá)由可運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子和固定的定子部件組成。

　　（圖自：Empa）

　　微型馬達(dá)的定子是由六個(gè)鈀原子和六個(gè)鎵原子組成的簇，其排列為大致呈三角形。

　　而轉(zhuǎn)子則是由四個(gè)原子的乙炔分子組成，它可以在定子的表面上旋轉(zhuǎn)，整體尺寸還不到 1 nm 。

分子馬達(dá)可由熱能或電力驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中也是后者更加實(shí)用。在室溫條件下，研究人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子會(huì)隨機(jī)地來(lái)回旋轉(zhuǎn)。

但當(dāng)使用電子掃描顯微鏡施加電流時(shí)，轉(zhuǎn)子就能以 99％ 的穩(wěn)定性保持在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，使之較以往的分子馬達(dá)更加實(shí)用。

　　研究人員稱，新型迷你電機(jī)不僅可用于移動(dòng)小型機(jī)器，還可用于納米級(jí)的能量收集。

　　納米馬達(dá)在不同位置的掃描電子顯微鏡圖像（via Empa）

　　新馬達(dá)還有一些奇怪的特性，比如采用類似棘輪的方式在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。通常這需要實(shí)用帶傾斜齒和棘爪的齒輪來(lái)完成，齒輪沿著平坦側(cè)滑動(dòng)，但不能逆向爬回另一側(cè)。

然而這種納米馬達(dá)的分子似乎忽略了相對(duì)平順的路線，更喜歡反向挑戰(zhàn)高難度。盡管與宏觀世界的直覺(jué)相反，但其效果基本相同（轉(zhuǎn)子都是沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)）。

此外分子馬達(dá)似乎打破了經(jīng)典物理學(xué)定律，因?yàn)楹暧^世界需要設(shè)法用最少的能量來(lái)克服阻力，比如不踩踏板就指望著自行車(chē)自己去爬坡。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，即使在極少量的熱能或電能的作用下，轉(zhuǎn)子也能運(yùn)動(dòng) —— 即便遠(yuǎn)少于使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所需的“量”（意味著低于 -256°C / -248.8°F，或施加低于 30 mV 的電壓）。

　　視頻：https://tv.sohu.com/v/dXMvODIyMjQwNTMvMjAwMDM0ODY5LnNodG1s.html

　　顯然，在微觀世界中發(fā)生的這一現(xiàn)象，已經(jīng)觸碰到了量子物理的邊界，甚至出現(xiàn)了量子隧穿。

實(shí)際上，科學(xué)家們經(jīng)常可以觀察到粒子在沒(méi)有足夠能量的情況下‘穿越’障礙物。以自行車(chē)為例，這不像是不踩踏板就沖到山頂，而是直接被傳送到了另一側(cè)的山坡。

不過(guò)這種解釋也帶來(lái)了新的問(wèn)題，因?yàn)榱孔铀泶┍徽J(rèn)為是無(wú)摩擦的。如果是這種情況，那轉(zhuǎn)子將在任意方向隨機(jī)旋轉(zhuǎn)。但從它傾向于 99% 的概率選擇來(lái)看，此過(guò)程中還是有能量正在丟失。

　　首席研究員 Oliver Gröning 稱，這項(xiàng)研究或有助于我們找到量子隧穿過(guò)程中的能量耗散原因。

　　詳情已發(fā)布在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，原標(biāo)題為《Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion》。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的触碰量子边界：科学家研制仅16个原子的纳米马达的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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