Le plus petit moteur du monde est constitué d’un ion 40Ca+. © alfaolga, Fotolia

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Le plus petit moteur du monde est constitué d’un seul atome

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À partir d'un ion de calcium 40 et de son spin, des chercheurs ont mis au point le plus petit moteur du monde. Des travaux qui pourraient, à terme, améliorer l'efficacité énergétique des systèmes.

Le plus petit moteur du monde est constitué d'un seul atome. Plus exactement, un seul ion de calcium 40 (40Ca+). Ce qui le rend environ dix milliards de fois plus petit qu'un moteur de voiture. Il a été mis au point par des chercheurs du Trinity College de Dublin (Irlande). À l'avenir, de tels moteurs pourraient être intégrés à d'autres technologies avec pour objectif de recycler la chaleur perdue et ainsi, d'améliorer leur efficacité énergétique.

Ce moteur, en tant qu'ion 40Ca+, est chargé électriquement. Il est donc facilement piégeable par un champ électrique. Et son spin - soit son moment angulaire intrinsèque -- est utilisé pour convertir la chaleur issue de faisceaux lasers, et qu'il absorbe en vibrations. Ces vibrations agissent comme un volant d’inertie qui capte l'énergie utile générée par le moteur. Une énergie stockée sous forme de quantas.

Le calcium 40 est l’isotope le plus abondant du calcium. Il est dit doublement magique, car son noyau compte 20 protons et 20 neutrons. Et un seul ion 40Ca+ constitue aujourd’hui le plus petit moteur du monde grâce à son spin qui convertit la chaleur en oscillations. © Goold, Trinity College, Dublin

Apprivoiser la chaleur

« Ce volant nous permet de mesurer réellement la puissance d'un moteur à l'échelle atomique et de résoudre ainsi pour la première fois, des quantas d’énergie uniques », explique Mark Mitchison, physicien au Trinity College de Dublin. En démarrant le volant d'inertie à partir de son état fondamental, les chercheurs ont observé que le moteur le forçait ensuite à tourner de plus en plus vite.

L'état de l'ion est resté accessible tout au long de l'expérience. De quoi permettre aux physiciens d'évaluer avec précision le processus de dépôt d'énergie. « La gestion de la chaleur à l'échelle nanométrique est l'un des paramètres essentiels au développement de systèmes plus rapides et plus efficaces », souligne le physicien. D'où l'importance de mieux comprendre comment les lois de la thermodynamique s'appliquent à des objets microscopiques.

Pour en savoir plus

Le plus petit moteur du monde : deux atomes seulement...

Constitué d'un cercle de lumière portant deux atomes ultra-froids, il est encore théorique mais réalisable. C'est ce que démontrent trois physiciens allemands... qui avouent cependant ne pas comprendre pourquoi il fonctionne.

Article de Jean-Luc Goudet paru le 11/06/2009

Deux atomes, l'un chargé et l'autre pas, sont piégés dans un cercle de lumière formé par la convergence de faisceaux laser. Un champ électrique variable les met en mouvement. Voilà un moteur électrique... © Ivan Ponomarev

Décrit dans la revue Physical Review Letters, l'engin décrit par Alexey Ponomarev, Peter Hänggi et Stanislav Denisov, de l'université d'Augsburg (Allemagne) est un moteur électrique. En effet, il transforme en énergie mécanique (une rotation) un peu de celle apportée par un champ électrique alternatif.

Mais l'engin imaginé - et pas encore réalisé - par les trois chercheurs est d'une conception radicalement différente et surtout d'une échelle toute autre. Plus fort que les Mems et les moteurs de la micromécanique, celui-ci n'est constitué que de deux atomes et d'un peu de lumière. La mécanique est ici quantique et prédit que, s'ils sont suffisamment refroidis, ces deux atomes peuvent être piégés au sein d'un cercle d'ondes lumineuses produit par la convergence de plusieurs lasers. Le piégeage d'atomes ultra-froids par des photons est une technique bien connue (par exemple pour réaliser des horloges atomiques) mais nul n'avait encore semble-t-il imaginé pouvoir en tirer un travail mécanique.

Les deux atomes piégés sont différents. L'un doit avoir perdu un électron et est donc électriquement chargé. Les chercheurs l'appellent le porteur. L'autre est neutre. C'est le démarreur. Dans un moteur électrique conventionnel, c'est un courant électrique alternatif qui crée le mouvement. Ici, il s'agit d'un champ électrique, perpendiculaire au plan de l'anneau d'ondes lumineuses.

Une utilité à trouver...

Ce champ provoque un mouvement au sein de l'anneau du porteur chargé. Mais nous sommes ici dans le monde quantique et cet atome ne se comporte pas comme une bille qui pourrait effectuer une trajectoire circulaire. Il doit être considéré comme une onde, indiquant pour chaque endroit la probabilité de le trouver là. L'onde étant symétrique dans un sens et dans un autre, le mouvement global du porteur est nul. C'est la présence de l'autre atome, le démarreur, qui permet le mouvement. Lui n'est pas chargé et provoque une asymétrie dans l'onde décrivant les deux atomes.

Le champ électrique environnant doit ensuite être modulé selon un motif très particulier pour que cette paire d'atomes consente à véritablement tourner. Dans l'article, les trois chercheurs démontrent que le système devrait générer un travail mécanique. Pourtant, ils n'expliquent pas complètement pourquoi leurs calculs font de l'atome démarreur un élément indispensable.

A quoi pourrait servir un tel moteur ? Pour l'instant à rien. Mais sa réalisation serait très intéressante sur le plan théorique mais aussi sur le plan expérimental. En effet, piéger deux atomes seulement n'est pas une mince affaire...

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