La ricerca dell'Università di Manchester ha gettato nuova luce sull'uso di "motori termici" miniaturizzati che un giorno potrebbero aiutare ad alimentare macchine su scala nanometrica come i computer quantistici.

I motori termici sono dispositivi che trasformano l'energia termica in una forma utile nota come "lavoro" in grado di fornire energia, come qualsiasi altro motore.

Dottor Ahsan Nazir, Senior Lecturer e EPSRC Fellow con sede presso il Photon Science Institute e la School of Physics and Astronomy di Manchester, volevo vedere come si comportavano i motori termici a livello quantistico, un ambiente subatomico in cui le leggi classiche della fisica non sempre si applicano.

I motori termici su questa scala potrebbero aiutare ad alimentare le macchine miniaturizzate su nanoscala del futuro, come i componenti dei computer quantistici.

La ricerca del dottor Nazir, pubblicato sulla rivista Revisione fisica E , hanno mostrato che i motori termici erano inclini a perdere prestazioni su scala quantistica a causa del modo in cui tali dispositivi scambiano energia con serbatoi di calore esterni e sarebbero necessarie ulteriori indagini per rimediare a questa sfida.

"I motori termici sono dispositivi che trasformano l'energia termica in una forma utile nota come 'lavoro', " ha spiegato il dottor Nazir.

"Oltre ad essere di immensa importanza pratica, la comprensione teorica dei fattori che determinano la loro efficienza di conversione energetica ha consentito una profonda comprensione delle leggi classiche della termodinamica.

"Recentemente, molto interesse si è concentrato sulle realizzazioni quantistiche dei motori al fine di determinare se le leggi termodinamiche si applicano anche ai sistemi quantistici.

"Nella maggior parte dei casi, questi motori vengono semplificati partendo dal presupposto che l'interazione tra il sistema di lavoro ei serbatoi termici sia estremamente ridotta. Alla scala macroscopica classica questa ipotesi è in genere valida, ma abbiamo riconosciuto che potrebbe non essere così poiché la dimensione del sistema diminuisce fino alla scala quantistica.

"Il consenso su come approcciare la termodinamica in questo cosiddetto regime di accoppiamento forte non è stato ancora raggiunto. Quindi abbiamo proposto un formalismo adatto allo studio di un motore termico quantistico nel regime di forza di interazione non nulla e lo abbiamo applicato al caso di un ciclo Otto a quattro tempi.

"Questo approccio ci ha permesso di condurre un'analisi termodinamica completa degli scambi energetici intorno al ciclo per tutte le forze di accoppiamento. Troviamo che le prestazioni del motore diminuiscono man mano che la forza di interazione diventa più apprezzabile, e quindi le forze di interazione sistema-serbatoio non evanescenti costituiscono una considerazione importante nel funzionamento dei motori termici quantistici."