La nozione teorica di "motore termico quantistico" esiste da diversi decenni. È stato introdotto per la prima volta circa sessant'anni fa da Scovil e Schulz-DuBois, due fisici dei Bell Labs che hanno tracciato un'analogia tra i maser a tre livelli e le macchine termiche.

Negli anni che seguirono, altri ricercatori hanno sviluppato una serie di teorie basandosi sulle idee di Scovil e Schulz-DuBois, introducendo proposte di cicli termodinamici su scala quantistica. Molto recentemente, i fisici hanno iniziato a testare alcune di queste teorie in contesti sperimentali.

Uno di questi esperimenti è stato condotto da un team di ricercatori dell'Università di Waterloo, Universidade Federal do ABC e Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, che ha dimostrato con successo un motore termico quantistico di spin in un ambiente di laboratorio. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione di fisica , delinea l'implementazione di un motore termico basato su un sistema spin-1/2 e tecniche di risonanza magnetica nucleare.

"La cosiddetta 'termodinamica quantistica' è attualmente in fase di sviluppo, "Roberto Serra, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questo campo emergente è anche associato agli sviluppi della tecnologia quantistica, che promette una sorta di nuova rivoluzione industriale su scala nanometrica con dispositivi di calcolo dirompenti, comunicazione, sensori, eccetera."

Nel loro esperimento, Serra e i suoi colleghi hanno implementato con successo un motore termico quantistico a prova di principio utilizzando uno spin nucleare posto in una molecola di cloroformio e tecniche di risonanza magnetica nucleare. I ricercatori hanno manipolato in modo specifico lo spin nucleare di un isotopo di carbonio 13 utilizzando un campo a radiofrequenza, alla fine producendo un ciclo Otto (cioè, il ciclo termodinamico utilizzato nei motori più comuni).

"La differenza di energia tra i due possibili stati di rotazione nucleare (diciamo su e giù) è stata aumentata e diminuita in modo simile all'espansione e alla compressione di un pistone in un motore di un'auto, " ha spiegato Serra. "In alcune condizioni, gli spin nucleari nella molecola possono assorbire e rilasciare calore dalle/alle onde radio."

Le fluttuazioni energetiche giocano un ruolo cruciale nello scenario quantistico su cui si sono concentrati Serra e i suoi colleghi. Misurando queste fluttuazioni in un ciclo termodinamico, però, è un compito estremamente impegnativo, che i ricercatori sono stati sorprendentemente in grado di completare. Hanno scoperto che quando si esegue un ciclo Otto quantistico alla massima potenza, il loro motore termico quantistico potrebbe raggiungere un'efficienza per l'estrazione del lavoro di η≈42%, che è molto vicino al suo limite termodinamico (η=44%).

"Nel presente esperimento, siamo stati in grado di caratterizzare tutte le fluttuazioni energetiche nel lavoro e nel calore, oltre all'irreversibilità su scala quantistica, " John Peterson uno dei coautori dello studio, ha detto a Phys.org. "Il funzionamento veloce della nostra macchina molecolare produce transizioni tra gli stati energetici di spin, che sono legati a ciò che chiamiamo "attrito quantico" che riduce le prestazioni. Questo tipo di attrito è anche associato ad un aumento dell'entropia. D'altra parte, un'operazione molto lenta (che riduce l'attrito quantico) non fornirà una quantità considerevole di potenza estratta. Così, lo scenario migliore è conciliare una certa quantità di energia con bassi livelli di attrito quantistico o produzione di entropia, in modo simile a quello che fa l'ingegneria moderna nei motori delle automobili."

Lo studio condotto da Serra e dai suoi colleghi è tra i primi a dimostrare sperimentalmente un motore termico quantistico di spin proof-of-concept. Questo motore termico di prova potrebbe in definitiva informare gli studi futuri che esplorano il funzionamento e il potenziale delle macchine termiche quantistiche.

"Nel nostro esperimento, il minuscolo motore di rotazione raggiunge un'efficienza prossima al suo limite termodinamico alla massima potenza, che è molto meglio di quello che possono fare i motori delle auto al giorno d'oggi, "Il motore di spin quantistico non sarebbe molto utile in pratica poiché il lavoro prodotto fornirebbe una quantità molto piccola di energia alle onde radio". Basterebbe solo alterare un altro spin nucleare. Siamo più interessati a misurare quanta energia utilizza, quanto calore dissipa, e quanta entropia viene prodotta durante il funzionamento."

Nel loro lavoro futuro, Serra e i suoi colleghi sperano anche di identificare modi per ottimizzare il funzionamento di piccole macchine termiche quantistiche, dimostrando la loro efficacia in esperimenti reali. Ciò potrebbe in definitiva aiutare a costruire frigoriferi quantistici più avanzati che potrebbero essere implementati in nuovi computer quantistici.

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