A single-atom heat engine
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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.