Ecco un nuovo capitolo nella storia della miniaturizzazione delle macchine:i ricercatori di un laboratorio di Singapore hanno dimostrato che un singolo atomo può funzionare sia come motore che come frigorifero. Un tale dispositivo potrebbe essere progettato in futuri computer e celle a combustibile per controllare i flussi di energia.

"Pensa a come il tuo computer o laptop ha molte cose al suo interno che si riscaldano. Oggi lo raffreddi con una ventola che soffia aria. Nelle nanomacchine o nei computer quantistici, piccoli dispositivi che fanno il raffreddamento potrebbero essere qualcosa di utile, " afferma Dario Poletti della Singapore University of Technology and Design (SUTD).

Questo lavoro fornisce nuove informazioni sui meccanismi di tali dispositivi. Il lavoro è una collaborazione che coinvolge ricercatori del Center for Quantum Technologies (CQT) e del Dipartimento di Fisica della National University of Singapore (NUS), SUTD e presso l'Università di Augusta in Germania. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista peer-reviewed npj Informazioni quantistiche il 1 maggio.

Motori e frigoriferi sono entrambe macchine descritte dalla termodinamica, una branca della scienza che ci dice come l'energia si muove all'interno di un sistema e come possiamo estrarre lavoro utile. Un motore classico trasforma l'energia in lavoro utile. Un frigorifero funziona per trasferire calore, riducendo la temperatura locale. Loro sono, in un certo senso, opposti.

Le persone hanno realizzato piccoli motori termici prima di utilizzare un singolo atomo, una singola molecola e difetti nel diamante. Una differenza fondamentale in questo dispositivo è che mostra la quantita' nella sua azione. "Vogliamo capire come possiamo costruire dispositivi termodinamici con pochi atomi. La fisica non è ben compresa, quindi il nostro lavoro è importante per sapere cosa è possibile, "dice Manas Mukherjee, un investigatore principale presso CQT, NU, che ha condotto il lavoro sperimentale.

I ricercatori hanno studiato la termodinamica di un singolo atomo di bario. Hanno ideato uno schema in cui i laser spostano uno degli elettroni dell'atomo tra due livelli di energia come parte di un ciclo, facendo sì che una certa energia venga spinta nelle vibrazioni dell'atomo. Come il motore di un'auto consuma benzina sia per muovere i pistoni che per caricare la batteria, l'atomo utilizza l'energia dei laser come combustibile per aumentare il suo movimento vibratorio. Le vibrazioni dell'atomo agiscono come una batteria, immagazzinare energia che può essere estratta in seguito. Riorganizza il ciclo e l'atomo si comporta come un frigorifero, sottraendo energia alle vibrazioni.

In entrambe le modalità di funzionamento, gli effetti quantistici si manifestano nelle correlazioni tra gli stati elettronici dell'atomo e le vibrazioni. "A questa scala, il trasferimento di energia tra il motore e il carico è un po' confuso. Non è più possibile lavorare semplicemente sul carico, sei obbligato a trasferire un po' di calore, " dice Poletti. Ha elaborato la teoria con i collaboratori Jiangbin Gong alla NUS Physics e Peter Hänggi ad Augsburg. La sfocatura rende il processo meno efficiente, ma gli sperimentali potrebbero ancora farlo funzionare.

Mukherjee e i colleghi Noah Van Horne, Dahyun Yum e Tarun Dutta hanno usato un atomo di bario da cui viene rimosso un elettrone (una carica negativa). Questo rende l'atomo carico positivamente, quindi può essere più facilmente tenuto fermo all'interno di una camera metallica da campi elettrici. Tutta l'altra aria viene rimossa dall'ambiente circostante. L'atomo viene quindi colpito da laser per spostarlo attraverso un ciclo a quattro fasi.

I ricercatori hanno misurato la vibrazione dell'atomo dopo aver applicato da 2 a 15 cicli. Hanno ripetuto un dato numero di cicli fino a 150 volte, misurando in media quanta energia vibrazionale era presente alla fine. Potevano vedere l'energia vibrazionale aumentare quando l'atomo veniva fulminato con un ciclo del motore, e diminuendo quando gli zap hanno seguito il ciclo del frigorifero.

Comprendere la macchina delle dimensioni di un atomo implicava sia calcoli complicati che osservazioni. Il team aveva bisogno di tracciare due quantità termodinamiche note come ergotropia, che è l'energia che può essere convertita in lavoro utile, ed entropia, che è legato al disordine nel sistema. Sia l'ergotropia che l'entropia aumentano mentre la macchina atomica funziona. C'è ancora un modo semplice di vederlo, dice il primo autore e Ph.D. studente Van Horne, "In parole povere, abbiamo progettato una piccola macchina che crea entropia mentre si riempie di energia libera, proprio come i bambini quando ricevono troppo zucchero."