Motor térmico cuántico

Los investigadores de Kaiserslautern desarrollan un minimotor de alto rendimiento. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

Profesor Dr. Artur Widera (izquierda) y autor principal del estudio Jens Nettersheim. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

Los motores clásicos convierten una forma de energía como el calor en trabajo mecánico. ¿Se pueden transferir estas leyes también a una mini máquina que consiste únicamente en un átomo de cesio y que podría funcionar de manera más eficiente? Un equipo de investigación de la TU Kaiserslautern bajo la dirección del profesor de física Dr. Artur Widera ha demostrado esto. Además, los científicos, con la ayuda de un truco del arsenal de herramientas cuánticas, lograron operar la máquina de manera estable a pesar de las fluctuaciones omnipresentes en el mundo cuántico. El trabajo de investigación correspondiente ha sido publicado ahora en la revista especializada Nature Communications.

Un motor operado de manera clásica sigue las leyes de la termodinámica. Por ejemplo, se enciende gasolina y la energía térmica se convierte en energía de movimiento a través de los pistones. Estos principios básicos han sido transferidos por el grupo de trabajo de Widera en colaboración con el Prof. Dr. Eric Lutz de la Universidad de Stuttgart al mundo cuántico, abordando cuestiones fundamentales de la termodinámica en la mecánica cuántica.

Pero, ¿cómo se construye una máquina de calor cuántica? Para ello, los investigadores eligieron una configuración experimental especial: Como medio, utilizan un gas de átomos de rubidio, que - para excluir fluctuaciones térmicas - fue enfriado casi hasta el cero absoluto. El combustible en el sistema es el espín de los átomos de rubidio, es decir, su momento angular intrínseco. Las mini máquinas consisten en átomos individuales de cesio; el intercambio de calor necesario se realiza en colisiones entre átomos de cesio y rubidio.

“El espín puede cambiar en dos direcciones, hacia arriba o hacia abajo, lo que en nuestro sistema representa caliente y frío, y por lo tanto la diferencia de calor”, explica Jens Nettersheim, doctorando y autor principal del estudio. “Cuando ocurren los llamados choques de intercambio de espín, las rotaciones de los átomos de cesio y rubidio colisionantes cambian en la dirección opuesta. A temperaturas ultrabajas, podemos controlar la dirección del cambio de espín en colisiones individuales. La movimiento del pistón, que convierte la energía, lo hemos reemplazado en el sistema por un campo magnético variable”. Con la ayuda de estas analogías con el intercambio de calor y el movimiento del pistón, los físicos lograron realizar un ciclo de Otto en el mundo cuántico.

El equipo de investigación superó un desafío que hasta ahora se consideraba insuperable: “Las propiedades o estados de las partículas cuánticas generalmente no se pueden determinar de manera inequívoca”, explica Widera. “Es decir, podemos medir estas propiedades, pero nunca predecir con certeza el resultado de una sola medición. Solo puedo determinar con qué probabilidad ocurren las propiedades observadas”. Estas “incertidumbres” o fluctuaciones en los resultados de las mediciones han llevado hasta ahora a que la ciencia cuestione si una máquina cuántica de calor puede realmente proporcionar un rendimiento constante y de alta eficiencia. “Quiero descartar fundamentalmente que un motor fluctúe de manera incontrolada entre diferentes niveles de rendimiento”, dice Widera.

Durante los choques de intercambio de espín, también ocurrieron estas fluctuaciones, pero el equipo de investigación constató: “Con el tiempo, el espín de los átomos de cesio se satura”, dice Widera. “Es decir, permanecen en un estado después de cierto tiempo, por lo que las fluctuaciones son controlables. En comparación con las máquinas térmicas 'clásicas', los átomos alcanzan un estado excitado superior. Exactamente eso es la clave para poder operar una máquina de calor cuántica de manera eficiente. Además de la ventaja de las fluctuaciones suprimidas, las máquinas cuánticas pueden, mediante este truco cuántico, convertir incluso más energía en un ciclo que lo que es posible térmicamente con baños calientes y fríos”.

La máquina de calor cuántica desarrollada por los investigadores funciona de manera confiable y, al mismo tiempo, despliega un rendimiento constante y alto, con una eficiencia muy elevada. Con esto, el grupo de Widera logró combinar con éxito la termodinámica en un experimento con el mundo cuántico y, junto con el apoyo teórico del Prof. Lutz, abrir la puerta a la aplicación de la termodinámica cuántica.

El estudio ha sido publicado en la prestigiosa revista especializada Nature Communications:
“Una máquina de calor cuántica impulsada por colisiones atómicas”
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Preguntas respondidas por:
Prof. Dr. Artur Widera
Departamento de Sistemas Cuánticos Individuales
Tel.: 0631 205-4130
Correo electrónico: widera(at)physik.uni-kl.de