La investigación de la Universidad de Manchester ha arrojado nueva luz sobre el uso de 'motores térmicos' miniaturizados que algún día podrían ayudar a alimentar máquinas a nanoescala como las computadoras cuánticas.

Los motores térmicos son dispositivos que convierten la energía térmica en una forma útil conocida como "trabajo" que puede proporcionar energía, como cualquier otro motor.

Dr. Ahsan Nazir, profesor titular y becario de EPSRC con base en el Instituto de Ciencias de Fotones y en la Escuela de Física y Astronomía de Manchester, quería ver cómo funcionaban los motores térmicos a nivel cuántico, un entorno subatómico donde las leyes clásicas de la física no siempre se aplican.

Los motores térmicos a esta escala podrían ayudar a impulsar las máquinas a nanoescala miniaturizadas del futuro, como los componentes de las computadoras cuánticas.

La investigación del Dr. Nazir, publicado en la revista Revisión física E , mostró que los motores térmicos tienden a perder rendimiento a escala cuántica debido a la forma en que dichos dispositivos intercambian energía con depósitos de calor externos, y se necesitaría más investigación para remediar este desafío.

"Los motores térmicos son dispositivos que convierten la energía térmica en una forma útil conocida como 'trabajo', "explicó el Dr. Nazir.

"Además de ser de inmensa importancia práctica, La comprensión teórica de los factores que determinan su eficiencia de conversión de energía ha permitido una comprensión profunda de las leyes clásicas de la termodinámica.

"Recientemente, mucho interés se ha centrado en las realizaciones cuánticas de los motores para determinar si las leyes termodinámicas se aplican también a los sistemas cuánticos.

"En la mayoría de los casos, estos motores se simplifican asumiendo que la interacción entre el sistema de trabajo y los depósitos térmicos es extremadamente pequeña. En la escala macroscópica clásica, esta suposición suele ser válida, pero reconocimos que puede que no sea el caso, ya que el tamaño del sistema disminuye a la escala cuántica.

"Aún no se ha llegado a un consenso sobre cómo abordar la termodinámica en este llamado régimen de acoplamiento fuerte. Por lo tanto, propusimos un formalismo adecuado para el estudio de una máquina térmica cuántica en el régimen de fuerza de interacción que no desaparece y lo aplicamos al caso de un ciclo Otto de cuatro tiempos.

"Este enfoque nos permitió realizar un análisis termodinámico completo de los intercambios de energía alrededor del ciclo para todas las fuerzas de acoplamiento. Encontramos que el rendimiento del motor disminuye a medida que la fuerza de interacción se vuelve más apreciable, y por lo tanto, las fuerzas de interacción sistema-depósito que no desaparecen constituyen una consideración importante en el funcionamiento de los motores térmicos de la mecánica cuántica ".