Официальный сайт журнала "Экология и Жизнь"
You need to upgrade your Flash Player or to allow javascript to enable Website menu.
Get Flash Player  
Всё об экологии ищите здесь:
  Сайт функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям  
Сервисы:
Каналы:
Каналы:
Блоги:
Дайджесты,
Доклады:

ЭКО-ВИДЕО



Реклама


Translate this page
into English

Translate.Ru PROMT©


Система Orphus


Главная Видео На графене создан квантовый аналог храповика с собачкой

На графене создан квантовый аналог храповика с собачкой

На графене создан квантовый аналог храповика с собачкой

Иллюстрация эффекта магнитного квантового электронного храповика в графене. Приложенное к графену переменное электрическое поле (волна E (t)) заставляет электроны двигаться  вправо или влево. Постоянное магнитное поле (стрелка B) действует как «клапан», слегка прижимая электроны к верхней или нижней поверхности графена. Атомы водорода H на поверхности графена «тормозят» движение электронов, прижатых к верхней поверхности графена, из-за чего электроны в целом начинают двигаться преимущественно в одном направлении.

Объединенный исследовательский коллектив из России, Германии, Швеции и США обнаружил, что эффект магнитного электронного храповика можно наблюдать в системах толщиной в один атом, а именно в графене — моноатомном слое углерода [1].

Храповик — механизм, который допускает движение в одном направлении и препятствует движению в обратном. С ним напрямую сталкивались (в прямом смысле) многие: он широко используется, например, в турникетах, а также в часах, гаечных ключах, домкратах. На картинка внизу изображена классическая пара – круглый зазубренный храповик (слева) с собачкой-фикстором (справа). Суть дела проста, говорит Сергей Тарасенко*, один из ведущих авторов исследования, — переменная сила, для которой среднее значение – ноль, с помощью храповика создает отличное от нуля перемещение в заданном направлении.

* Сергей Тарасенко — сотрудник Сектора теории квантовых когерентных явлений Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

На электроны в графене действовали переменным электрическим полем терагерцового излучения, которое заставляло электроны двигаться вправо или влево. Одновременно с этим в плоскости графена было приложено постоянное магнитное поле, которое играло роль «клапана» (или «собачки» в часовом механизме): оно позволяло электронам свободно двигаться в одном направлении и подавляло движение в обратном. Так возникал постоянный электрический ток.

Ответ нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана на вопрос: «Может ли храповик с собачкой позволить получать энергию из тепловых колебаний?» см. здесь.

«Эффект храповика может возникать только в системах с достаточно низкой симметрией — системах без центра пространственной инверсии. Сам по себе лист графена содержит центр пространственной инверсии, поэтому в нем возникновения электрического тока под действием переменного поля не наблюдается. Если же симметрия структуры нарушена: это может быть связано с подложкой, на которой находится графен, или с “посторонними“ атомами на поверхности графена, возникает эффект храповика — однонаправленное движение», — рассказывает Сергей Тарасенко.

В экспериментах, проведенных в университете Регенсбурга (Германия), исследовались эпитаксиальные слои графена, на верхней поверхности которых адсорбировались атомы водорода H. Действуя на графен переменным электрическим полем, экспериментаторы заставляли свободные электроны в графене двигаться вправо и влево в плоскости слоя. В это же время на графен действовало постоянное магнитное поле, которое за счет силы Лоренца «прижимало» электроны, движущиеся вправо, к нижней поверхности графена, а электроны, движущиеся влево, — к верхней поверхности.

Если бы лист графена был чистым, то средний по времени электрической ток по-прежнему был бы равен нулю. Однако атомы водорода располагались преимущественно на верхней поверхности графена и «тормозили» движение электронов, прижатых к верхней поверхности, т.е. двигающихся влево. Электроны же, двигающиеся вправо и прижатые к нижней поверхности, в меньшей степени взаимодействовали с атомами водорода и двигались свободнее. Такое различие подвижностей электронов, двигающихся вправо и влево, и приводило в результате к возникновению среднего по времени направленного электрического тока.

Величина электрического тока линейно зависела от индукции магнитного поля и была пропорциональна квадрату амплитуды переменного электрического поля. При смене полярности магнитного поля направление тока менялось на противоположное.

Графен — материал, чрезвычайно перспективный для создания приборов микро- и наноэлектроники, который, возможно, в будущем заменит кремний. Обнаружение направленного потока электронов под действием переменной силы в графене свидетельствует о возможности создания «электронных храповиков» моноатомной толщины. Кроме этого, открытие эффекта храповика в графене означает, что он может наблюдаться и в других двумерных кристаллах, таких как германен, монослои дихалькогенидов переходных металлов и других гетероструктурах.

Статья, описывающая эффект «электронного храповика», опубликована в журнале Nature Nanotechnology [1]. Сергей Тарасенко и его коллеги: Михаил Глазов, Леонид Голуб и Евгений Ивченко, сотрудники Сектора теории квантовых когерентных явлений в твердом теле, также теоретически изучили другие механизмы генерации фототоков в графене: краевой киральный фотогальванический эффект, эффект увлечения электронов фотонами, оптическую инжекцию чисто долинных токов, эффект генерации второй оптической гармоники. Предсказанные эффекты обнаружены в совместных работах с экспериментаторами ведущих мировых научных центров. Эти работы говорят о перспективности создания устройств нелинейной электроники и оптоэлектроники на основе двумерных кристаллов — самых тонких из известных нам материалов.

Список литературы:

[1] C. Drexler, S.A. Tarasenko, P. Olbrich, J. Karch, M. Hirmer, F. Müller, M. Gmitra, J. Fabian, R. Yakimova, S. Lara-Avila, S. Kubatkin, M. Wang, R. Vajtai, P. Ajayan, J. Kono, and S.D. Ganichev: «Magnetic quantum ratchet effect in graphene», Nature Nanotechnology 8, 104 (2013).Abstract.

Abstract

A periodically driven system with spatial asymmetry can exhibit a directed motion facilitated by thermal or quantum fluctuations1. This so-called ratchet effect2 has fascinating ramifications in engineering and natural sciences3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Graphene19 is nominally a symmetric system. Driven by a periodic electric field, no directed electric current should flow. However, if the graphene has lost its spatial symmetry due to its substrate or adatoms, an electronic ratchet motion can arise. We report an experimental demonstration of such an electronic ratchet in graphene layers, proving the underlying spatial asymmetry. The orbital asymmetry of the Dirac fermions is induced by an in-plane magnetic field, whereas the periodic driving comes from terahertz radiation. The resulting magnetic quantum ratchet transforms the a.c. power into a d.c. current, extracting work from the out-of-equilibrium electrons driven by undirected periodic forces. The observation of ratchet transport in this purest possible two-dimensional system indicates that the orbital effects may appear and be substantial in other two-dimensional crystals such as boron nitride, molybdenum dichalcogenides and related heterostructures. The measurable orbital effects in the presence of an in-plane magnetic field provide strong evidence for the existence of structure inversion asymmetry in graphene.

 

*Может ли храповик с собачкой позволить получать энергию из тепловых колебаний?

Ответ на этот вопрос дает  Ричард Фейман (см. Фейнмановские лекции по физике. Том 4. Глава 46. Храповик и собачка)

В этой главе мы поговорим о храповике и собачке — очень простом устройстве, позволяющем оси вращаться только в одном направлении. Возможность получать одностороннее вращение заслуживает глубокого и тщательного анализа, из   него   проистекут   интересные    заключения.

Вопросы, которые мы будем обсуждать, возникают при попытке найти с молекулярной или кинетической точки зрения простое объяснение тому, что существует предел работы, которая может быть получена от тепловой машины. Правда, мы уже знаем сущность доказательства Карно, но было бы приятно найти и элементарное его объяснение — такое, которое показало бы, что так физически на самом деле происходит. Существуют, конечно, сложные, покоящиеся на законах Ньютона математические доказательства ограниченности количества работы, которое можно получить, когда тепло перетекает с одного места в другое; но очень непросто сделать эти доказательства элементарными. Короче говоря, мы не понимаем их, хотя можем проследить   выкладки.

В доказательстве Карно то обстоятельство, что при переходе от одной температуры к другой нельзя извлечь неограниченное количество тепла, следует из другой аксиомы: если все происходит при одной температуре, то тепло не может быть превращено в работу посредством циклического процесса. Поэтому первым делом попытаемся понять, хотя бы на одном элементарном примере, почему верно это более простое утверждение.

 

 

Фотографии в альбоме «ЭкоФорум», автор evg.panarin2013 на Яндекс.Фотках



 

Попробуем придумать такое устройство, чтобы второй закон термодинамики нарушался, т. е. чтобы работу из теплового резервуара получали, а перепада температур не было. Пусть в сосуде находится газпри некоторой температуре, а внутри имеется вертушка (фиг. 46.1), причем будем считать, что Т1=Т2=Т. От ударов молекул газа вертушка будет покачиваться. Нам остается лишь пристроить к другому концу оси колесико, которое может вертеться только в одну сторону,— храповичок с собачкой. Собачка пресечет попытки вертушки поворачиваться в одну сторону, а повороты в другую—разрешит. Колесико будет медленно поворачиваться; может быть, удастся даже подвесить на ниточку блошку, привязать нить к барабану, насаженному на ось, и поднять эту блошку!

 

Возможно ли это? По гипотезе Карно — нет. Но по первому впечатлению — очень даже возможно (если только мы верно рассудили). Видно, надо посмотреть повнимательнее. И действительно, если вдумаешься в работу храповика с собачкой, все оказывается не так просто.

 

Во-первых, хотя наш идеализированный храповик и предельно прост, но есть еще собачка, а при ней положено быть пружинке. Проскочив очередной зубец, собачка должна возвратиться в прежнее положение, так что без пружинки не обойтись.

 

Весьма существенно и другое свойство храповика и собачки (на рисунке его нельзя показать). Предположим, что части нашего устройства идеально упруги. Когда собачка пройдет через конец зубца и сработает пружинка, собачка ударится о колесико и начнет подпрыгивать. Если в это время произойдет очередная флуктуация, вертушка может повернуться и в другую сторону, так как зубец может проскользнуть под собачкой, когда та приподнята! Значит, для необратимости вертушки важно, чтобы было устройство, способное гасить прыжки собачки. Но при этом гашении энергия собачки перейдет к храповику и примет вид тепловой энергии. Выходит, что по мере вращения храповик будет все сильнее нагреваться. Для простоты пусть газ вокруг храповика уносит часть тепла. Во всяком случае, вместе с храповиком начнет нагреваться и сам газ. И что же, так будет продолжаться вечно? Нет! Собачка и храповик, сами обладая некоторой температурой Т, подвержены также и броуновскому движению. Это значит, что время от времени собачка случайно поднимается и проходит мимо зубца как раз в тот момент, когда броуновское движение вертушки пытается повернуть ее назад. И чем горячее предмет, тем чаще это бывает.

 

Вот отчего наш механизм не будет находиться в вечном движении. Иногда от щелчков по крыльям вертушки собачка поднимается и вертушка поворачивается. Но иногда, когда вертушка стремится повернуть назад, собачка оказывается уже приподнятой (из-за флуктуации движений этого конца оси) и храповик действительно поворачивает обратно. В итоге— чистый нуль. И совсем нетрудно показать, что, когда температура в обоих сосудах одинакова, в среднем вращения не будет. Будет, конечно, множество поворотов в ту или иную сторону, но чего мы хотим — одностороннего вращения,— тому не бывать.

 

Рассмотрим причину этого. Чтобы поднять собачку до верха зубца, надо проделать работу против натяжения пружинки. Назовем эту работу ε; пусть θ— угол между зубцами. Шанс, что система накопит достаточно энергии ε, чтобы поднять собачку до края зубца, есть ехр (—ε/kТ). Но вероятность того, что собачка поднимется случайно, тоже есть ехр (—ε/kТ). Значит, сколько раз собачка случайно поднимется, давая храповику свободно повернуться назад, столько же раз окажется достаточно энергии, чтобы при прижатой собачке вертушка повернулась вперед. Выйдет равновесие, а не вращение

графен 

11.11.2015, 1475 просмотров.


Нравится

Новости
19.07.2018 10:28:00

В Москве вручат премии за лучшие экологические проекты

Заявки на участие в конкурсе принимают до 16 октября.

Москва, проект, конкурс

18.07.2018 11:07:00

Назначен директор нового департамента Минприроды РФ по развитию ООПТ

Министр природных ресурсов и экологии РФ Дмитрий Кобылкин подписал приказ о назначении на должность директора департамента государственной политики и регулирования в сфере развития особо охраняемых природных территорий (ООПТ) и Байкальской природной территории Алексея Титовского, сообщает пресс-служба Министерства природы.

Министр, ООПТ, Департамент, Минприроды

18.07.2018 11:02:00

Опыты по очистке радиоактивных отходов титаносиликатными сорбентами проведут в КНЦ РАН

Сотрудники Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр РАН» (КНЦ РАН) в ближайшие месяцы проведут эксперимент по очистке жидких радиоактивных отходов не имеющими на данный момент российских аналогов сорбентами.

Кольский, центр, эксперимент, научный

17.07.2018 20:54:10

В Московском регионе третий день объявляют желтый уровень опасности

В Московском регионе объявляется желтый уровень опасности из-за гроз и сильного ветра. Это происходит уже третий день подряд.

Москва, регион, погода

17.07.2018 12:19:00

Ученые юга России рассказали, как распознать ядовитую змею

Установившаяся на юге России аномальная жара заставила змей искать спасения от зноя в реках, озерах и других водоемах.

ученые, Россия, Змея

16.07.2018 14:46:00

Ленобласть стала первым в России регионом, отказавшимся от одноразового пластика

Комитет по культуре Ленинградской области не будет использовать одноразовый пластик во время массовых мероприятий в регионе.

Россия, Ленобласть, пластик

16.07.2018 11:54:00

В России изменятся нормы по антибиотикам в молоке и мясе

Требования к содержанию антибиотиков в продуктах питания будут изменены.

Россия, антибиотики, молоко, мясо, нормы

RSS
Архив "Новости"
Подписка на RSS
Реклама: