Machine thermique quantique

Les chercheurs de Kaiserslautern développent un moteur miniature performant. (Photo : Thomas Koziel/TUK)

Professeur Dr. Artur Widera (à gauche) et premier auteur de l'étude Jens Nettersheim. (Photo : Thomas Koziel/TUK)

Les moteurs classiques convertissent une forme d'énergie comme la chaleur en travail mécanique. Peut-on également appliquer ces lois à une mini-machine composée d’un seul atome de césium, qui pourrait ainsi fonctionner plus efficacement ? Une équipe de chercheurs de la TU Kaiserslautern, dirigée par le professeur de physique Dr. Artur Widera, a apporté la preuve. De plus, grâce à une astuce tirée de la boîte à outils quantique, les scientifiques ont pu faire fonctionner la machine de manière stable malgré les fluctuations omniprésentes dans le monde quantique. Le travail de recherche correspondant a été publié dans la revue spécialisée Nature Communications.

Un moteur fonctionnant selon les lois classiques de la thermodynamique suit ces principes. Par exemple, l’essence est enflammée et l’énergie thermique est convertie en énergie cinétique par le piston. Ces principes fondamentaux ont été transférés par le groupe de travail de Widera, en collaboration avec le professeur Dr. Eric Lutz de l’Université de Stuttgart, dans le monde quantique, en abordant des questions fondamentales de la thermodynamique en mécanique quantique.

Mais comment construire une telle machine thermique quantique ? Pour cela, les chercheurs ont choisi une configuration expérimentale particulière : comme milieu, un gaz d’atomes de rubidium, refroidi jusqu’à presque le zéro absolu pour exclure les fluctuations thermiques. Le carburant du système est le spin des atomes de rubidium, c’est-à-dire leur moment cinétique intrinsèque. Les mini-machines sont constituées d’atomes de césium individuels ; l’échange thermique nécessaire se produit lors de la collision entre atomes de césium et de rubidium.

« Le spin peut se faire dans deux directions, vers le haut ou vers le bas, ce qui dans notre système correspond à chaud ou froid, et représente donc la différence de chaleur », explique Jens Nettersheim, doctorant et premier auteur de l’étude. « Lorsqu’il y a des échanges de spin, les mouvements de rotation des atomes de césium et de rubidium s’inclinent dans l’autre direction. À des températures ultrafroides, nous pouvons contrôler la direction du changement de spin lors de chaque collision. Le mouvement du piston, qui convertit l’énergie, a été remplacé dans le système par un champ magnétique variable. » Grâce à ces analogies avec l’échange thermique et le mouvement du piston, les physiciens ont réussi à réaliser un cycle de Carnot dans le monde quantique.

Les chercheurs ont surmonté un défi considéré jusqu’ici comme insurmontable : « Les propriétés ou états des particules quantiques ne peuvent généralement pas être déterminés de manière univoque », explique Widera. « Autrement dit, nous pouvons les mesurer, mais jamais prévoir avec certitude le résultat d’une seule mesure. Je peux seulement déterminer la probabilité que les propriétés observées apparaissent. » Ces « incertitudes » ou fluctuations des résultats de mesure ont jusqu’ici conduit la science à douter qu’une machine thermique quantique puisse fournir une performance constante avec une haute efficacité. « Je souhaite exclure fondamentalement qu’un moteur fluctue de manière incontrôlable entre différents niveaux de performance », affirme Widera.

Lors des échanges de spin, ces fluctuations se produisaient également, mais l’équipe de recherche a constaté : « Avec le temps, le spin des atomes de césium se sature », indique Widera. « Autrement dit, ils restent dans un état après un certain temps, et les fluctuations deviennent ainsi contrôlables. Comparés aux machines thermiques « classiques », les atomes atteignent un état d’excitation supérieur. C’est précisément cela qui est la clé pour faire fonctionner efficacement une machine thermique quantique. » En plus de l’avantage des fluctuations contrôlées, ces machines quantiques peuvent, grâce à cette astuce quantique, convertir dans un seul cycle plus d’énergie que ce qui est thermodynamiquement possible avec des bains chauds et froids. »

La machine thermique quantique développée par les chercheurs fonctionne de manière fiable, tout en déployant une puissance constante élevée et avec une efficacité très élevée. La réussite de Widera et de son groupe consiste à avoir réussi à combiner la thermodynamique avec le monde quantique en expérimentation, et à avoir, avec le soutien théorique du Professeur Lutz, ouvert la voie à l’application de la thermodynamique quantique.

L’étude a été publiée dans la revue spécialisée Nature Communications :
« Une machine thermique quantique entraînée par des collisions atomiques »
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Questions répondues par :
Prof. Dr. Artur Widera
Domaine des systèmes quantiques individuels
Tél. : 0631 205-4130
E-mail : widera(at)physik.uni-kl.de