(Phys.org)—Illustrando il modo insolito in cui funzionano le cose su scala nanometrica, gli scienziati hanno progettato un nuovo sistema nanoelettromeccanico (NEMS) che produce movimento meccanico a causa delle interazioni tra gli elettroni, ma a differenza di sistemi simili, questo sistema non richiede alcuna corrente elettrica. Anziché, le interazioni elettrone-elettrone accoppiano due serbatoi di elettroni di diverse temperature, che genera un flusso di calore tra di loro che fa vibrare un nanotubo di carbonio sospeso.

I ricercatori, A. Vikström e coautori della Chalmers University of Technology di Göteborg, Svezia, e l'Istituto B. Verkin per la fisica e l'ingegneria delle basse temperature dell'Accademia nazionale delle scienze dell'Ucraina a Kharkov, Ucraina, hanno pubblicato un articolo sul dispositivo NEMS in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"I dispositivi microscopici che combinano l'elettronica con la meccanica - MEMS (sistemi microelettromeccanici) - sono onnipresenti nel mondo moderno, " Vikström ha detto Phys.org . "I sensori all'interno dei nostri smartphone che determinano l'accelerazione, orientamento, eccetera., sono buoni esempi. Man mano che i dispositivi elettronici diventano più piccoli, è in corso uno sforzo per sostituire tali strutture microscopiche con strutture nanoscopiche:NEMS. La nostra ricerca appartiene a questa categoria; proponiamo, modello, e studiare nuovi dispositivi NEMS. Il motore termico NEMS che abbiamo suggerito è speciale in quanto converte un flusso di calore in movimento meccanico senza richiedere né generare corrente elettrica."

Sebbene ci siano state altre proposte in cui i fenomeni a singolo elettrone causano vibrazioni meccaniche nei dispositivi NEMS, questi meccanismi richiedono tipicamente una corrente elettrica. Se quella corrente è bloccata, allora questi meccanismi non funzionano più.

Il nuovo meccanismo proposto differisce dal fatto che blocca intenzionalmente qualsiasi corrente elettrica. Il sistema è costituito da un nanotubo di carbonio sospeso tra due conduttori di elettrodi, con la coppia di conduttori che agisce come un serbatoio di elettroni. Un elettrodo a punta sopra il nanotubo funge da secondo serbatoio, contenente elettroni con spin opposto rispetto agli elettroni nel primo serbatoio. Gli elettroni possono tunnel liberamente dai loro serbatoi al nanotubo e viceversa. Ma poiché gli elettroni di diversi serbatoi hanno spin opposti, non possono viaggiare verso il serbatoio opposto, e quindi non vi è alcun trasferimento di addebito.

Le cose iniziano a farsi interessanti quando i serbatoi di elettroni hanno temperature diverse. Quindi, quando gli elettroni freddi da un serbatoio e gli elettroni caldi dall'altro serbatoio passano al nanotubo, interagiscono e il calore viene trasferito dagli elettroni caldi a quelli freddi. Quando gli elettroni freddi tornano al loro serbatoio freddo, trasportano energia extra, mentre gli elettroni caldi ritornano al loro serbatoio caldo con meno energia.

Se il serbatoio della punta è più caldo del serbatoio dell'elettrodo, quindi il flusso di calore risultante devierà leggermente il nanotubo sospeso verso questo serbatoio. Avvicinando il nanotubo e il serbatoio della punta, questa deflessione aumenta la velocità di tunneling tra di loro. L'aumento del tunneling produce un meccanismo di feedback, ma con una risposta ritardata, facendo vibrare il nanotubo. Alla fine l'ampiezza della vibrazione si stabilizza poiché l'efficienza di pompaggio diminuisce con l'ampiezza. Regolando le temperature dei serbatoi, i ricercatori hanno dimostrato che la direzione e la forza del meccanismo di feedback possono essere controllate, e le vibrazioni possono essere pompate o smorzate.

Poiché il sistema utilizza il flusso di calore per generare movimento meccanico, agisce efficacemente come un motore termico su scala nanometrica. L'efficienza del motore aumenta all'aumentare della differenza di temperatura, e i ricercatori stimano che l'efficienza massima sia di qualche punto percentuale, limitato da fattori geometrici piuttosto che dalla differenza di temperatura. I ricercatori si aspettano che il sistema possa avere una varietà di usi.

"Se si considera il concetto generale di motore termico e lo si immagina nel contesto di un circuito elettronico, è facile immaginare i benefici, " Vikström ha detto. "Il calore è sempre presente nei circuiti elettrici come sottoprodotto. Tale calore di solito è solo energia sprecata, ma se potessi sfruttarlo per, dire, alimentare altri dispositivi NEMS integrati, avresti un sistema più efficiente dal punto di vista energetico."

I ricercatori spiegano che il progetto proposto potrebbe essere realizzato sperimentalmente utilizzando le tecniche esistenti. Suggeriscono che le vibrazioni potrebbero essere rilevate applicando un campo magnetico perpendicolare al movimento del nanotubo, che farebbe sì che una carica sul nanotubo sperimenti una forza che si alterna con la deflessione. La corrente alternata che genererebbe potrebbe quindi essere misurata, fornendo prove delle vibrazioni del nanotubo.

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