Einzelionenwärmekraftmaschine

• Antragsteller: Professor Dr. Kilian Singer
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268267341

Ziel dieses Antrags ist die experimentelle Realisierung einer Quanten-Wärmekraftmaschine mit einem einzelnen Ion bzw. einer Ionenkette. Das vorgestellte System ist die kleinste Wärmekraftmaschine und das erste System welches erlaubt eine Wärmekraftmaschine mit nicht-klassischen Zuständen statt thermischen Wärmebädern zu realisieren. Hierzu stelle ich eine speziell gefertigte lineare Paulfalle vor, in der ein einzelne Ion gefangen ist und einen Otto Kreislauf implementiert. Der radiale Zustand des Ions wird als Arbeitsmedium verwendet, analog zum Arbeitsgas in einer konventionellen Wärmekraftmaschine. Das Analogon zum konventionellen Kolben wird im axialen Freiheitsgrad dargestellt und die axiale Schwingungsanregung des Ions speichert die erzeugte Arbeit, wie ein mechanisches Schwungrad. Die Wärmebäder werden durch Laserstrahlen realisiert. Alternativ kann man mit elektrischem Rauschen den Zustand des Ions kontrollieren. Beim Vergleich von theoretischen Vorhersagen mit den experimentellen Ergebnissen ist es von besonderem Vorteil, dass die Parameter über einen weiten Bereich eingestellt werden können und die Bewegungsfreiheitsgrade des Ions präzise bestimmt werden können. Wir interessieren uns für die Bestimmung des Wirkungsgrades und der gewonnenen Arbeit. Wir planen theoretische Vorhersagen bezüglich der Effizienzsteigerung einer Wärmekraftmaschine unter Verwendung nicht konventioneller Bäder zu überprüfen. Unsere Untersuchungen am maßgeschneiderten Modellsystem sollen das Verständnis von offenen Quantensystemen vertiefen und Anwendungen stimulieren, wie z.B. die Kühlung mikromechanischer Oszillatoren. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, den Otto Zyklus in umgekehrter Reihenfolge zu treiben, um statt einer Wärmekraftmaschine eine Wärmepumpe zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen