Macchina termica quantistica

I ricercatori di Kaiserslautern sviluppano un motore minimo ad alte prestazioni. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

Professor Dr. Artur Widera (a sinistra) e il primo autore dello studio Jens Nettersheim. (Foto: Thomas Koziel/TUK)

I motori classici convertono una forma di energia come il calore in lavoro meccanico. È possibile applicare queste leggi anche a una mini-macchina composta da un singolo atomo di cesio, che potrebbe quindi funzionare in modo più efficiente? Un team di ricercatori della TU Kaiserslautern guidato dal professore di fisica Dr. Artur Widera ha fornito la prova. Inoltre, gli scienziati sono riusciti, grazie a un trucco proveniente dalla cassetta degli attrezzi quantistici, a far funzionare la macchina in modo stabile nonostante le fluttuazioni onnipresenti nel mondo quantistico. Il relativo lavoro di ricerca è stato pubblicato sulla rivista specializzata Nature Communications.

Un motore tradizionale segue le leggi della termodinamica. Ad esempio, si accende la benzina e l’energia termica viene convertita in energia cinetica attraverso i pistoni. Questi principi fondamentali sono stati trasferiti dal gruppo di lavoro di Widera, in collaborazione con il Prof. Dr. Eric Lutz dell’Università di Stoccarda, nel mondo quantistico, affrontando questioni fondamentali della termodinamica nella meccanica quantistica.

Ma come si può costruire una macchina termica quantistica? Per farlo, i ricercatori hanno scelto una configurazione sperimentale speciale: come mezzo, viene utilizzato un gas di atomi di rubidio, che è stato raffreddato fino quasi allo zero assoluto per escludere le fluttuazioni termiche. Il combustibile del sistema è la rotazione degli atomi di rubidio, cioè il loro momento angolare intrinseco. Le mini-macchine sono composte da singoli atomi di cesio; lo scambio di calore necessario avviene durante le collisioni tra atomi di cesio e rubidio.

“La rotazione può avvenire in due direzioni, verso l’alto o verso il basso, il che nel nostro sistema corrisponde a caldo e freddo e rappresenta quindi la differenza di calore”, spiega Jens Nettersheim, dottorando e primo autore dello studio. “Quando avvengono le cosiddette collisioni di scambio di rotazione, le rotazioni degli atomi di cesio e rubidio coinvolti si capovolgono nell’altra direzione. A temperature ultrafredde, possiamo controllare la direzione di questa variazione di rotazione in singoli eventi. Il movimento del pistone, che trasforma l’energia, è stato sostituito nel sistema da un campo magnetico variabile.” Grazie a queste analogie con lo scambio di calore e il movimento del pistone, i fisici sono riusciti a realizzare un ciclo di Otto nel mondo quantistico.

Il team di ricerca ha superato una sfida finora considerata insormontabile: “Le proprietà o gli stati delle particelle quantistiche, in generale, non possono essere determinati con certezza”, spiega Widera. “Cioè, possiamo misurarli, ma non prevedere con certezza il risultato di una singola misurazione. Posso solo determinare con quale probabilità si verificano le proprietà osservate.” Queste “incertezze” o fluttuazioni dei risultati delle misurazioni hanno finora portato gli scienziati a dubitare che una macchina termica quantistica possa fornire una potenza costante con alta efficienza. “Voglio escludere fondamentalmente che un motore fluttui in modo incontrollabile tra diversi livelli di potenza”, aggiunge Widera.

Durante le collisioni di scambio di rotazione, si sono verificate anche queste fluttuazioni, ma il team di ricerca ha osservato: “Con il tempo, la rotazione degli atomi di cesio si satura”, dice Widera. “Cioè, dopo un certo periodo, rimangono in uno stato stabile, e le fluttuazioni sono quindi controllabili. Rispetto alle macchine termiche ‘classiche’, gli atomi raggiungono uno stato di eccitazione superiore. Questo è esattamente il punto chiave per poter far funzionare in modo efficiente una macchina termica quantistica. Oltre al vantaggio di ridurre le fluttuazioni, queste macchine quantistiche possono, grazie a questo trucco quantistico, convertire in un ciclo più energia di quanto sia possibile con i tradizionali sistemi termici con acque calde e fredde.”

La macchina termica quantistica sviluppata dai ricercatori funziona in modo affidabile, offrendo al contempo una potenza costante e alta efficienza. Con questo, il gruppo di Widera è riuscito a portare con successo la termodinamica nel mondo dell’esperimento quantistico e, con il supporto teorico del Prof. Lutz, ad aprire ulteriormente la strada all’applicazione della termodinamica quantistica.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Nature Communications:
“A quantum heat engine driven by atomic collisions”
https://rdcu.be/ch9OV
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22222

Per domande, rivolgersi a:
Prof. Dr. Artur Widera
Dipartimento di Sistemi Quantistici Individuali
Tel.: 0631 205-4130
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de