Empa und EPFL bauen Motor aus 16 Atomen

17. Juni 2020 11:11

Dübendorf ZH/Lausanne - Ein Forschungsteam der Empa und der EPFL hat einen molekularen Motor entwickelt, der rund 100'000-mal kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Dabei entdeckten sie rätselhafte Quantenphänomene.

Der kleinste Motor der Welt gibt Forschenden von Eidgenössischer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und Eidgenössischer Technischer Hochschule Lausanne (EPFL) Rätsel auf. Sie haben einen molekularen Motor entwickelt, der aus nur 16 Atomen besteht und sich zuverlässig in eine Richtung dreht. Doch gemäss der Quantenphysik müssten beide Drehrichtungen gleich wahrscheinlich sein. Das bringt eventuell einen Grundsatz der Quantenwelt ins Wanken.

Dieser Motor misst weniger als einen Nanometer. Wie ein Motor im Grossformat besteht er aus einem fixen (Stator) und einem beweglichen Teil (Rotor). „Damit ein Motor tatsächlich nützliche Arbeit verrichten kann, ist zentral, dass der Stator dem Rotor erlaubt, sich nur in eine Richtung zu bewegen“, wird Oliver Gröning, Leiter der Forschungsgruppe für funktionelle Oberflächen an der Empa in Dübendorf, in einer Medienmitteilung zitiert.

Anders als andere molekulare Motoren weist dieser eine Drehrichtungstreue von 99 Prozent auf. Damit könnte die Energiegewinnung auf atomarer Ebene möglich werden. Doch gleichzeitig bewegt sich dieser molekulare Motor auch an der Grenze zwischen klassischer Physik und Quantenwelt.

Denn gemäss den Gesetzen der klassischen Physik müsste der Rotor eigentlich stehenbleiben, wenn die Mindestenergiemenge nicht ausreicht, um ihn gegen einen Widerstand überhaupt in Bewegung zu setzen. Überraschenderweise konnten die Forschenden auch unterhalb dieser Energiegrenze eine gleichbleibende Rotationsfrequenz in eine Richtung beobachten.

Laut den Regeln der Quantenphysik können Teilchen „tunneln“. Das bedeutet, der Rotor kann den Widerstand auch dann noch überwinden, wenn seine Bewegungsenergie im klassischen Sinn nicht ausreicht. Diese Tunnelbewegung verläuft normalerweise ohne jeglichen Energieverlust. „Wenn beim Tunneln keine Energie verloren geht, müsste die Drehrichtung des Motors rein zufällig sein“, erklärt Gröning. Dass dem aber nicht so ist, „deutet also darauf hin, dass auch bei der Tunnelbewegung ein Energieverlust stattfindet“. Diese erstaunlichen Erkenntnisse könnten nun Untersuchungen „über die Vorgänge und Gründe von Energiedissipationen bei Quantentunnelvorgängen“ möglich machen. mm

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