Благодаря явлению, известному, как стохастический резонанс, всего лишь одна молекула водорода может быть использована для перемещения гораздо более массивного объекта. Методику, позволяющую реализовать это на практике, предложила совместная группа ученых из Германии и Испании. Исследователям удалось извлечь полезную энергию из «шума» в экспериментах с наконечником атомно-силового микроскопа, установленным на гибком кантиливере. В будущем обнаруженный в ходе эксперимента процесс может быть использован в качестве привода для нано- и микромашин.

Стохастический резонанс характерен для широкого диапазона различных сложных систем, особенно в живых организмах. В частности, он несет ответственность за такие процессы, как «накачка» энергией. Стохастический резонанс позволяет слабому периодическому сигналу усиливаться за счет окружающего «шума» (случайных колебаний системы, возникающих, к примеру, в результате изменений температуры системы, движения электронов или фотонов).

Резонанс возникает тогда, когда пики шума случайно совпадают с пиками периодического сигнала.

Ученые давно задумывались над тем, как использовать эту природную способность отделения полезного сигнала от шума в своих работах. Совместная группа из Freie Universit (Германия) nanoGUNE (Испания) продемонстрировали первые результаты в этой области, показав, что

стохастическое движение колеблющейся молекулы водорода может быть использовано для перемещения сравнительно крупномасштабного механического кантиливера.

Исследователи использовали острие атомно-силового микроскопа – иглу, установленную на гибкой пружинно-подобной консоли, сделанной из кварца. В ходе эксперимента они фиксировали в ловушке одну молекулу водорода между зондом и поверхностью меди.

Небольшое напряжение между зондом и медью (порядка 0,1 В) вызывало случайные «переключения» молекулы водорода между двумя пространственными позициями (состояниями), что заставляло консоль колебаться.

По мнению ученых,

движение кантиливера в описанной системе происходило за счет стохастического резонанса. Иными словами, взаимодействие случайных колебаний молекулы водорода и периодического движения механического осциллятора (кантиливера) приводило к усилению передачи энергии от молекулы водорода к осциллятору.

Таким образом,

эксперимент показал, что наименьшая из существующих молекул – молекула водорода – приводила в движение осциллятор, размеры которого в 10¹⁹ превышают ее собственные габариты.

В представленном исследователями эксперименте молекула водорода приводилась в движение за счет приложенного электрического напряжения. Однако ученые отмечают, что

аналогичного эффекта нельзя добиться, если использовать другие источники энергии, например, свет.

Как считает научная группа, их результаты могут использоваться для разработки искусственных молекулярных моторов. Как они считают, сходные принципы позволяют извлечь энергию шума, например, для вращения двигателя. Как говорят сами ученые, достигнутые результаты мотивируют их к поиску других источников молекулярного шума, например, иных электрических или магнитных колебаний, которые могли бы также привести к более эффективной передаче энергии механического осциллятора.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.