Authors:	Roßnagel, Johannes
Title:	A single-atom heat engine
Online publication date:	5-Jun-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	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.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-857
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000013457
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XIII, 154 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen