触碰量子边界：科学家研制仅16个原子的纳米马达

日前，Empa和EPFL的研究人员，已经打造了有史以来最小的纳米电机。其仅包含了16个原子，甚至已经触及经典物理学和量子领域的边界。

　　日前，Empa 和 EPFL 的研究人员，已经打造了有史以来最小的纳米电机。其仅包含了 16 个原子，甚至已经触及经典物理学和量子领域的边界。图中蓝色的是六个钯原子、红色是六个镓原子，灰色的则是乙炔分子（四个原子）。与宏观世界的对照物一样，微型马达由可运动的转子和固定的定子部件组成。

图自：Empa

　　微型马达的定子是由六个钯原子和六个镓原子组成的簇，其排列为大致呈三角形。

　　而转子则是由四个原子的乙炔分子组成，它可以在定子的表面上旋转，整体尺寸还不到 1 nm 。

　　分子马达可由热能或电力驱动，实验中也是后者更加实用。在室温条件下，研究人员发现转子会随机地来回旋转。

　　但当使用电子扫描显微镜施加电流时，转子就能以 99％的稳定性保持在一个方向上旋转，使之较以往的分子马达更加实用。

　　研究人员称，新型迷你电机不仅可用于移动小型机器，还可用于纳米级的能量收集。

纳米马达在不同位置的扫描电子显微镜图像（via Empa）

　　新马达还有一些奇怪的特性，比如采用类似棘轮的方式在一个方向上旋转。通常这需要实用带倾斜齿和棘爪的齿轮来完成，齿轮沿着平坦侧滑动，但不能逆向爬回另一侧。

　　然而这种纳米马达的分子似乎忽略了相对平顺的路线，更喜欢反向挑战高难度。尽管与宏观世界的直觉相反，但其效果基本相同（转子都是沿着一个方向旋转）。

　　此外分子马达似乎打破了经典物理学定律，因为宏观世界需要设法用最少的能量来克服阻力，比如不踩踏板就指望着自行车自己去爬坡。

　　研究人员发现，即使在极少量的热能或电能的作用下，转子也能运动 —— 即便远少于使转子旋转所需的“量”（意味着低于 -256°C / -248.8°F，或施加低于 30 mV 的电压）。

　　显然，在微观世界中发生的这一现象，已经触碰到了量子物理的边界，甚至出现了量子隧穿。

　　实际上，科学家们经常可以观察到粒子在没有足够能量的情况下‘穿越’障碍物。以自行车为例，这不像是不踩踏板就冲到山顶，而是直接被传送到了另一侧的山坡。

　　不过这种解释也带来了新的问题，因为量子隧穿被认为是无摩擦的。如果是这种情况，那转子将在任意方向随机旋转。但从它倾向于 99% 的概率选择来看，此过程中还是有能量正在丢失。

　　首席研究员 Oliver Gröning 称，这项研究或有助于我们找到量子隧穿过程中的能量耗散原因。

　　详情已发布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，原标题为《Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion》。

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