La teoria della termodinamica, comunemente associati ai motori a vapore del XIX secolo, è un insieme universale di leggi che governa tutto, dai buchi neri all'evoluzione della vita. Ma con le moderne tecnologie che miniaturizzare i circuiti su scala atomica, la termodinamica deve essere messa alla prova in un regno completamente nuovo. In questo regno, si applicano le leggi quantistiche piuttosto che quelle classiche. Allo stesso modo in cui la termodinamica era la chiave per costruire macchine a vapore classiche, l'emergere di circuiti quantistici ci sta costringendo a reimmaginare questa teoria nel caso quantistico.

La termodinamica quantistica è un campo della fisica in rapida evoluzione, ma il suo sviluppo teorico è molto più avanti delle implementazioni sperimentali. I rapidi progressi nella fabbricazione e misurazione di dispositivi su scala nanometrica ci offrono ora l'opportunità di esplorare questa nuova fisica in laboratorio.

Mentre gli esperimenti sono ora a portata di mano, rimangono estremamente impegnativi a causa della raffinatezza dei dispositivi necessari per replicare il funzionamento di un motore termico, e per il controllo di alto livello e la sensibilità di misurazione che sono richiesti. Il gruppo del Dr. Ares produrrà dispositivi su scala nanometrica, solo una dozzina di atomi di diametro, e tenerli a temperature molto più fredde anche dello spazio più profondo.

Questi motori su nanoscala daranno accesso a test precedentemente inaccessibili di termodinamica quantistica e saranno una piattaforma per studiare l'efficienza e la potenza dei motori quantistici, aprendo la strada alle nanomacchine quantistiche. Il dottor Ares costruirà motori in cui il "vapore" è uno o due elettroni, e il pistone è un minuscolo filo semiconduttore a forma di nanotubo di carbonio. Si aspetta che l'esplorazione di questo nuovo territorio avrà un impatto fondamentale sul modo in cui pensiamo alle macchine come hanno avuto gli studi precedenti nel regime classico.

La domanda principale a cui cerca di rispondere il Consiglio europeo della ricerca (ERC) recentemente premiato dalla dott.ssa Natalia Ares è:qual è l'efficienza di un motore in cui le fluttuazioni sono importanti e potrebbero verificarsi effetti quantistici? Le implicazioni della risposta a questa domanda sono di vasta portata e potrebbero, ad esempio, informare lo studio dei biomotori o la progettazione di nanomacchine efficienti su chip. Questa ricerca potrebbe anche scoprire comportamenti unici che aprono la strada a nuove tecnologie come nuove tecniche di refrigerazione e rilevamento su chip o mezzi innovativi per raccogliere e immagazzinare energia. Sfruttando le fluttuazioni, i requisiti per preservare il comportamento quantistico potrebbero diventare meno impegnativi.

Le scoperte del Dr. Ares avranno applicazioni sia nell'informatica classica che in quella quantistica. Allo stesso modo in cui l'esperimento di Joule dimostrò che il movimento e il calore erano reciprocamente intercambiabili, Il dottor Ares mira a collegare il movimento di un nanotubo di carbonio con il calore e il lavoro prodotti da singoli elettroni. È entusiasta di sfruttare dispositivi con capacità uniche per scoprire le singolarità della termodinamica quantistica.