自工業革命以來，熱機在現代社會的發展中就扮演著重要的角色。例如，汽車發動機把熱能轉換為機械能，才使現代的生活方式成為可能。與此同時，隨著工業微型化的發展，人們寄希望于研發出更小的引擎裝置。

德國美茵茨大學物理學家Johannes Rossnagel在《科學》雜志上揭示了如何利用單個鈣原子制造全世界最小的引擎。原子引擎的能量轉化過程與傳統汽車內燃機引擎的能量轉換過程類似，通過在溫度不同的兩個熱源間的循環，將熱量轉換為有用的功。不同之處在于，通常進行熱-功轉換的工作介質是含大量分子的液體或者氣體的，而Rossnagel則將一個被限制在線性保羅陷阱（Paul trap）中的鈣離子作為引擎的工作介質，激光冷卻束作為低溫熱源，而電場噪聲則作為熱源。

“我們的研究結果表明，機器是可以微縮到單個原子大小的。這為未來的單離子冰箱和水泵的實驗提供了平臺。此外也為真正的熱力學量子效應的探索開啟了大門?！盧ossnagel表示。

文獻圖注

圖1 單原子熱機

A： 實驗裝置示意圖 綠色部分：受約束的單個原子；藍色部分：激光束；紅色部分：漏斗狀射頻電極；金色部分：端帽；灰色部分：外部電極

B： 射頻電極間的贗勢斷面圖，在中心位置達到最低點（漏斗形）

C： 離子的位置（黑色標志）隨時間的變化，用正弦曲線進行擬合（綠色曲線）； 紅藍背景反映高、低溫熱源的周期性作用，產生周期性驅動力（藍色曲線）

D： 單原子引擎在一個徑向上的熱力學循環

圖2 引擎溫度變化情況

A： 加熱（紅色）、冷卻（藍色）過程中的溫度變化，TH、TC分別代表加熱、冷卻溫度；

B： 加熱溫度TH與電噪聲方均根的關系；

C： 模擬出的離子溫度隨時間的變化，得到工作溫度Twork

圖3 引擎的功率和效率 

由上圖可得，該引擎的功率與理論計算結果基本一致，效率可以達到0.28±0.07%。