Investigadores han desarrollado potentes micromotores para realizar el ciclo Otto en el mundo cuántico

Un motor clásico convierte un tipo de energía (como el calor) en trabajo mecánico. ¿Se pueden aplicar estas leyes también a una micro máquina con un solo átomo de cesio, mejorando así la eficiencia del trabajo? El equipo de investigación de la Technische Universität Kaiserslautern dirigido por el profesor de Física Dr. Arthur Widla proporcionó evidencia. Además, con la ayuda de la caja de herramientas cuántica, los científicos pueden ejecutar máquinas de manera estable, a pesar de que las fluctuaciones son omnipresentes en el mundo cuántico.

El trabajo de investigación relacionado ahora se ha publicado en la revista Nature Communications ("Un motor térmico cuántico impulsado por colisiones atómicas").

Los motores de potencia tradicionales siguen las leyes de la termodinámica. Por ejemplo, cuando se enciende la gasolina, el pistón convierte la energía térmica en energía cinética. El equipo de investigación de Widera, en colaboración con el profesor Eric Lutz de la Universidad de Stuttgart, ha transferido estos principios básicos al mundo cuántico y ha resuelto los problemas básicos de la termodinámica en mecánica cuántica.

Pero, ¿cómo se construyó un motor cuántico de este tipo en primer lugar? Los investigadores eligieron un dispositivo experimental especial. Primero, el gas de los átomos de rubidio se enfrió a casi cero absoluto para minimizar las fluctuaciones térmicas. Esta pequeña máquina está compuesta por un solo átomo de cesio. El combustible que impulsa la máquina es el momento angular de los átomos de rubidio, que se llama espín. Cuando los átomos de cesio y rubidio chocan, intercambian calor y espín a nivel cuántico.

El primer autor del estudio y estudiante de doctorado, Jens Nettersheim, explicó que la dirección de giro se puede cambiar en dos direcciones, hacia arriba o hacia abajo. En nuestro sistema, esto representa el calor. Y frío, lo que resulta en una diferencia térmica. Cuando se produce la llamada colisión de intercambio de espín, las direcciones de giro de los átomos de cesio y rubidio en colisión se inclinarán en direcciones opuestas. A la temperatura ultra baja dada por nuestro sistema, podemos controlar la dirección del cambio de giro en cada colisión. Además, reemplazamos el movimiento del pistón que convierte la energía del sistema con un campo magnético cambiante. Usando estas analogías para el intercambio de calor y el movimiento del pistón, los físicos han realizado con éxito el ciclo de Otto del mundo cuántico.

En el proceso, el equipo de investigación supera un desafío que antes se consideraba insuperable: las propiedades o estados de las partículas cuánticas generalmente no se pueden determinar claramente, explicó Widera. En otras palabras, podemos medirlos, pero nunca podemos predecir con certeza el resultado de una sola medición. Sólo puedo determinar la probabilidad de ocurrencia de la propiedad observada. Es esta "ambigüedad" o fluctuación de los resultados de la medición lo que hasta ahora ha llevado a la comunidad científica a dudar si el motor térmico cuántico puede proporcionar de manera confiable una potencia constante de alta eficiencia. Widera dijo que quiero descartar fundamentalmente la posibilidad de que el motor fluctúe incontrolablemente entre diferentes niveles de potencia.

En las colisiones de intercambio de espín, se producen fluctuaciones, pero el equipo de investigación descubrió que con el tiempo, los espines de los átomos de cesio se saturan. En otras palabras, permanecerán en un estado después de un período de tiempo, por lo que las fluctuaciones pueden ser controladas. En comparación con el motor térmico "clásico", el átomo alcanza un estado excitado más alto en este proceso. Esta es la clave para el funcionamiento eficiente de un motor térmico cuántico. Además de las ventajas de suprimir las fluctuaciones, esta técnica cuántica también permite a nuestra máquina cuántica convertir más energía en un ciclo, que es mayor que la capacidad termodinámica de una máquina cuántica que funciona a dos temperaturas diferentes en una máquina clásica tradicional.

El motor térmico cuántico desarrollado por los investigadores libera alta potencia continua mientras funciona de manera estable, y la eficiencia es muy alta. El equipo de investigación de Widera, con el apoyo teórico del profesor Lutz, llevó con éxito la termodinámica al nivel cuántico, abriendo aún más la puerta a la aplicación de la termodinámica cuántica.