Gli ingegneri RIKEN hanno creato una nanomacchina multitasking che può fungere contemporaneamente da motore termico e frigorifero. Il dispositivo è uno dei primi a testare come gli effetti quantistici, che regolano il comportamento delle particelle alla scala più piccola, potrebbe un giorno essere sfruttato per migliorare le prestazioni delle nanotecnologie.

I motori termici e i frigoriferi convenzionali funzionano collegando due pozze di fluido. La compressione di una piscina provoca il riscaldamento del suo fluido, mentre espandendo rapidamente l'altra piscina raffredda il suo fluido. Se queste operazioni vengono eseguite in un ciclo periodico, le piscine si scambiano energia e il sistema può essere utilizzato sia come motore termico che come frigorifero.

Sarebbe impossibile impostare una macchina su macroscala che svolga entrambi i compiti contemporaneamente, né gli ingegneri vorrebbero farlo, afferma Keiji Ono del RIKEN Advanced Device Laboratory. "Combinare un motore termico tradizionale con un frigorifero lo renderebbe una macchina completamente inutile, " dice. "Non saprebbe cosa fare."

Ma le cose sono diverse quando riduci le cose. I fisici hanno sviluppato dispositivi sempre più piccoli, a volte basato su singoli atomi. A queste piccole scale, devono spiegare la teoria quantistica, lo strano insieme di leggi che dice, ad esempio, un elettrone può esistere in due posti contemporaneamente o avere due energie diverse. I fisici stanno sviluppando nuovi quadri teorici ed esperimenti per cercare di capire come si comporteranno tali sistemi.

La versione quantistica del motore termico utilizza un elettrone in un transistor. L'elettrone ha due possibili stati energetici. Il team potrebbe aumentare o diminuire il divario tra questi stati energetici applicando un campo elettrico e microonde. "Questo può essere analogo alla periodica operazione di espansione-compressione di un fluido in una camera, "dice Ono, che ha condotto l'esperimento. Il dispositivo emetteva anche microonde quando l'elettrone passava dal livello di alta energia a quello più basso.

Monitorando se il livello di energia superiore è stato occupato, il team ha prima dimostrato che il nanodispositivo potrebbe fungere da motore termico o da frigorifero. Ma poi hanno mostrato qualcosa di molto più strano:la nanomacchina potrebbe agire come entrambi allo stesso tempo, che è un effetto puramente quantistico. I ricercatori lo hanno confermato osservando l'occupazione del livello energetico superiore, che si combinavano per creare un caratteristico schema di interferenza. "C'era una corrispondenza quasi perfetta tra il modello di interferenza sperimentale e quello previsto dalla teoria, "dice Ono.

"Ciò può consentire una rapida commutazione tra le due modalità di funzionamento, " Spiega Ono. "Questa capacità potrebbe aiutare a creare nuove applicazioni con tali sistemi in futuro".