160 research outputs found
A single-atom heat engine
Eine Wärmekraftmaschine wandelt thermische Energie in mechanische Arbeit um, wobei
das Arbeitsgas in der Regel eine große Anzahl von Atomen oder Molekülen umfasst. In
der vorliegenden Arbeit zeige ich erstmals, dass das Arbeitsmedium einer Wärmekraftmaschine
bis zur Grenze eines einzelnen Atoms reduziert werden kann. Dabei verwende
ich ein einzelnes 40Ca+ Ion, welches in einer trichterförmigen Paul-Falle gefangen wird.
Zunächst habe ich umfassende numerische Monte-Carlo Simulationen durchgeführt,
die auf realistischen Parametern beruhen und die Realisierbarkeit des Experimentes
demonstrieren. Die Geometrie der Falle wurde auf Grundlage der Simulationen optimiert
und der zu erwartende Bereich der einzelnen Parameter der Maschine bestimmt.
Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Eric Lutz haben wir einen analytischen
Rahmen aufgestellt, in dem die Dynamik eines harmonischen Oszillators als Wärmekraftmaschine
beschrieben werden kann. Unser analytisches und numerisches Modell haben
wir auf nicht-thermische Bäder erweitert und gezeigt, dass sich so die Leistungsfähigkeit
der Maschine deutlich erhöhen lässt.
Um die Wärmekraftmaschine experimentell zu realisieren, habe ich ein einzelnes
gefangenes Ion abwechselnd an ein warmes und ein kaltes Bad gekoppelt, wodurch es
einen Stirling-Kreisprozess durchläuft. Das Ion wandelt thermische Energie in mechanische
Arbeit um, die in Bewegungsenergie gespeichert wird. Durch eine zeitaufgelöste
Messung der Bewegung konnte ich thermodynamische Kreisprozesse für verschiedene
Temperaturen der Bäder charakterisieren. Dies wurde erst durch eine neuartige
Temperatur-Messmethode möglich, bei der Dunkelresonanzen im Fluoreszenz-Spektrum
untersucht werden. Sie erlaubt eine Bestimmung der Temperatur des Ions im Bereich
zwischen 0.1mK und 100mK und ermöglicht erstmals eine zeitliche Auflösung von Thermalisierungsprozessen.
Aus den Kreisprozessen konnte ich die Leistung P der Maschine
sowie deren Effizienz η ermitteln. Diese reichen bis zu P = 3.4 · 10^−22 J/s und η = 0.28%,
und stimmen mit den Vorhersagen eines analytischen Modells überein. Die Möglichkeit
mechanische Arbeit nicht nur zu erzeugen, sondern auch zu speichern und für andere
Systeme nutzbar zu machen, ist ein wichtiger Schritt für eine Integration in komplexere
thermodynamische Systeme.
Durch die Modelleigenschaften von gefangenen Ionen als harmonische Oszillatoren
können die Erkenntnisse meiner Arbeit auf verschiedene Oszillator-Systeme übertragen
werden. In zukünftigen Experimenten soll die Maschine mit grundzustandsgekühlten
Ionen an der Grenze zwischen Quantenmechanik und klassischer Mechanik betrieben
werden. Das hohe Maß an Kontrolle ermöglicht eine Untersuchung der Fluktuationen der
gemessenen Parameter, die auf kurzen Zeitskalen dominieren. Die vorliegende Arbeit
wird die Entwicklung von zukünftigen Maschinen im Nanomaßstab inspirieren und
weitere Experimente mit thermodynamischen Systemen motivieren.Heat engines convert thermal energy into mechanical work, typically involving a large
number of atoms or molecules. In this thesis, I demonstrate that the working medium
of thermal machines can be reduced to the ultimate limit of one single atom. This is the
first experimental realization of a heat engine, where a single atom converts thermal
excitations into mechanical work. As the working agent I used a single 40Ca+ ion,
confined in a linear Paul trap with a special funnel-shaped geometry.
As a preparation for the experiments, I performed extensive numerical Monte-Carlo
simulations of our system with realistic parameters in order to demonstrate its feasibility,
to optimize the trap geometry, and to determine the expected range of the individual
parameters. In collaboration with the group of Prof. Dr. E. Lutz, we established an
analytical framework of the heat engine dynamics for a harmonic oscillator. We extended
this model as well as the simulations to non-thermal reservoirs to demonstrate the
corresponding capability for an increase of the engines performance.
For the experimental realization, I have driven the ion in a thermodynamic Stirling
cycle by coupling it alternately to a hot and a cold reservoir. Thereby, the ion generates
work from thermal excitations, which is extracted and stored in a designated degree
of freedom. I have mapped and fully characterized the thermodynamic cycles of the
engine for various temperature differences of the reservoirs by a direct and time resolved
measurement of the ion’s trajectory. However, this was only possible due to a novel
temperature measurement technique, that allows for determining temperatures in a
range between 0.1 and 100 mK. This technique is based on the spectroscopy of narrow
dark two-photon resonances in the fluorescence spectrum of the ion and allows for time
resolved measurements of the ion’s thermal dynamics with a resolution of up to 5 μs.
From the measured thermodynamic cycles, I evaluated the output power P and the
efficiency η of the engine, which reach up to P = 3.4 × 10^−22 J/s and η = 0.28% at a
temperature difference of DT = 66(8)mK between the hot and the cold reservoir. These
results are consistent with the predictions from an analytical model. The ability not only
to generate work, but also to store it and to make it available to other oscillatory systems
is a crucial step towards the implementation of more complex thermodynamic systems.
The model character of the trapped ions as harmonic oscillators allows one to transfer
the findings from this thesis to other oscillatory systems. Furthermore, the versatility of
trapped ion systems will allow one to analyze fluctuations of the engines parameters,
which dominate on short timescales. With trapped ions initialized in the motional ground
state, future heat engines may operate at the boarder of the classical and the quantum
regime. Therefore, the presented work may inspire and initiate future thermodynamic
experiments and more fundamental engine systems.XIII, 154 Seite
Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale
In systems possessing spatial or dynamical symmetry breaking, Brownian motion
combined with symmetric external input signals, deterministic or random, alike,
can assist directed motion of particles at the submicron scales. In such cases,
one speaks of "Brownian motors". In this review the constructive role of
Brownian motion is exemplified for various one-dimensional setups, mostly
inspired by the cell molecular machinery: working principles and
characteristics of stylized devices are discussed to show how fluctuations,
either thermal or extrinsic, can be used to control diffusive particle
transport. Recent experimental demonstrations of this concept are reviewed with
particular attention to transport in artificial nanopores and optical traps,
where single particle currents have been first measured. Much emphasis is given
to two- and three-dimensional devices containing many interacting particles of
one or more species; for this class of artificial motors, noise rectification
results also from the interplay of particle Brownian motion and geometric
constraints. Recently, selective control and optimization of the transport of
interacting colloidal particles and magnetic vortices have been successfully
achieved, thus leading to the new generation of microfluidic and
superconducting devices presented hereby. Another area with promising potential
for realization of artificial Brownian motors are microfluidic or granular
set-ups.....Comment: 57 pages, 39 figures; submitted to Reviews Modern Physics, revised
versio
Report / Institute für Physik
The 2016 Report of the Physics Institutes of the Universität Leipzig presents a hopefully interesting overview of our research activities in the past year. It is also testimony of our scientific interaction with colleagues and partners worldwide. We are grateful to our guests for enriching our academic year with their contributions in the colloquium and within our work groups
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