Nanotechnologie: Die kleinste Maschine der Welt ist nur ein Atom groß

Blick in die Vakuumkammer mit der Atom-Falle: Die Umkehr des Prozesses ergibt einen Kühlschrank. (Bild: AG Quantum, JGU)

Ein Atom ist ein Motor: Deutsche Forscher haben eine Wärmekraftmaschine im Nanomaßstab entwickelt. Die Leistung ist minimal, aber proportional mit der eines Autos vergleichbar.

Wissenschaftler der Universitäten in Erlangen, Kassel und Mainz haben eine Maschine gebaut, die nur aus einem Atom besteht. Es ist eine Wärmekraftmaschine, die thermische Energie in mechanische Arbeit wandelt.

Die Forscher um Johannes Roßnagel von der Mainzer Universität haben ein positiv geladenes Calcium-40-Atom in einer Paul-Falle eingefangen, einem trichterförmigen elektromagnetischen Feld, in dem sich das Atom radial bewegen kann.

Das Atom schwingt mehr oder weniger

Das Atom haben sie zunächst mit elektrischem Rauschen aufgeheizt. Danach wurde es per Laserkühlung wieder abgekühlt. Wurde das Atom erwärmt, schwang es stärker. Dabei bewegte es sich zum breiten Ende des Trichters. Kühlte es ab, wurden die Schwingungen geringer, das Atom bewegte sich zum schmalen Ende des Trichters. Die Forscher vergleichen diese Schwingungen mit den Bewegungen eines Kolbens im Zylinder.

Mit jedem Zyklus aus Aufwärmen und Abkühlen, thermodynamischer Kreisprozess genannt, vergrößert das Teilchen seinen Schwingungsradius und speichert auf diese Weise Energie. Besonders leistungsfähig ist der Ein-Atom-Motor - zumindest auf den ersten Blick - nicht: 10 hoch -22 Watt. Gemessen an seiner Masse entspricht die Leistung aber in etwa der eines Automotors. Die Effizienz liegt bei 0,3 Prozent.

Eine Anwendung haben die Forscher auch schon: "Durch die Umkehr des Kreisprozesses können wir die Maschine als einatomigen Kühlschrank betreiben und damit gekoppelte Nanosysteme kühlen", sagt Roßnagel. Er beschreibt das Experiment zusammen mit seinen Kollegen in der Fachzeitschrift Science.