Single ion heat engine
Final Report Abstract
Wir konnten durch die Verwendung einer trapezförmigen Ionenfalle eine Einzelionenwärmekraftmaschine implementieren. Ziel des Projektes war es experimentell zu überprüfen, ob die Gesetze der Thermodynamik bezüglich Wärmekraftmaschinen sich auch auf einzelne Atome anwenden lassen. Dies konnten wir erfolgreich zeigen. Hierzu wurde eine Wärmekraftmaschine vom Sterlingtyp implementiert. Die Rolle der Wärmebäder wurde durch Laserkühlung und elektrisches Rauschen umgesetzt. Die radialen Freiheitsgrade des Ions stellten das Arbeitsmedium dar und der axiale Freiheitsgrad den Arbeitskolben. Da für ein einzelnes Ion die Temperatur mittels Zeitmittelung und nicht Ensemblemittelung definiert werden muss, war es essenziell, dass ein Schwungrad durch den harmonischen Oszillator realisiert wurde, so dass das System eine Zeitmittelung durchführen kann. Dieses Experiment stellt ein Schlüsselexperiment dar, welches in der Fachwelt hohe Beachtung fand, da es die Grundlagen zu weiteren Experimenten im Quantenregime legt. So wurde unsere Publikation von Physics World zu den "top ten breakthroughs" des Jahres 2016 gewählt. Außerdem wurde das Experiment in den Publikumsmedien entsprechend gewürdigt (Deutschlandfunk, Zeitjournal, Zeitungen).
Publications
- “A single-atom heat engine”, Science 352, 325 (2016)
J. Roßnagel, S. T. Dawkins, K. N. Tolazzi, O. Abah, E. Lutz, F. Schmidt-Kaler, K. Singer
(See online at https://doi.org/10.1126/science.aad6320) - 'Single Atom Heat Engine in a Tapered Ion Trap', book chapter in F. Binder, L. Correa, C. Gogolin, J. Anders, G. Adesso, “Thermodynamics in the quantum regime”, Springer, Cham
S. Dawkins, O. Abah, K. Singer and S. Deffner
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_36) - 'Transient non-confining potentials for speeding up a single ion heat pump', New Journal of Physics, 20, 105001 (2018)
E. Torrontegui, S. Dawkins, M. Göb, K. Singer
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/aae3ee)
