La noción teórica de una 'máquina térmica cuántica' ha existido durante varias décadas. Fue introducido por primera vez hace unos sesenta años por Scovil y Schulz-DuBois, dos físicos de Bell Labs que establecieron una analogía entre máseres de tres niveles y máquinas térmicas.

En los años que siguieron, otros investigadores han desarrollado una variedad de teorías basadas en las ideas de Scovil y Schulz-DuBois, introduciendo propuestas de ciclos termodinámicos a escala cuántica. Muy recientemente, Los físicos han comenzado a probar algunas de estas teorías en entornos experimentales.

Uno de estos experimentos fue llevado a cabo por un equipo de investigadores de la Universidad de Waterloo, Universidade Federal do ABC y Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, que demostró con éxito un motor de calor cuántico de giro en un entorno de laboratorio. Su papel publicado en Cartas de revisión de física , describe la implementación de un motor térmico basado en un sistema spin-1/2 y técnicas de resonancia magnética nuclear.

"La llamada 'termodinámica cuántica' está actualmente en desarrollo, "Roberto Serra, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Este campo emergente también está asociado con desarrollos en tecnología cuántica, que promete una especie de nueva revolución industrial a nanoescala con dispositivos disruptivos para la computación, comunicación, sensores, etc. "

En su experimento, Serra y sus colegas implementaron con éxito un motor de calor cuántico de prueba de principio utilizando un espín nuclear colocado en una molécula de cloroformo y técnicas de resonancia magnética nuclear. Los investigadores manipularon específicamente el giro nuclear de un isótopo de carbono 13 utilizando un campo de radiofrecuencia, finalmente produciendo un ciclo Otto (es decir, el ciclo termodinámico utilizado en la mayoría de los motores).

"La diferencia de energía entre los dos posibles estados de giro nuclear (digamos arriba y abajo) aumentó y disminuyó de manera similar a la expansión y compresión de un pistón en un motor de automóvil, Serra explicó. Bajo algunas condiciones, los espines nucleares en la molécula pueden absorber y liberar calor desde / hacia las ondas de radio ".

Las fluctuaciones de energía juegan un papel crucial en el escenario cuántico en el que se centraron Serra y sus colegas. Midiendo estas fluctuaciones en un ciclo termodinámico, sin embargo, es una tarea extremadamente desafiante, que los investigadores fueron sorprendentemente capaces de completar. Descubrieron que al realizar un ciclo Otto cuántico a máxima potencia, su motor de calor cuántico podría lograr una eficiencia para la extracción de trabajo de η≈42%, que está muy cerca de su límite termodinámico (η =44%).

"En el presente experimento, pudimos caracterizar todas las fluctuaciones de energía en el trabajo y el calor, además de la irreversibilidad a escala cuántica, "John Peterson, uno de los coautores del estudio, dijo Phys.org. "El funcionamiento rápido de nuestra máquina molecular produce transiciones entre los estados de energía de espín, que están relacionados con lo que llamamos 'fricción cuántica' que reduce el rendimiento. Este tipo de fricción también se asocia con un aumento de la entropía. Por otra parte, una operación muy lenta (que disminuye la fricción cuántica) no entregará una cantidad considerable de energía extraída. Entonces, el mejor escenario es conciliar cierta cantidad de poder con bajos niveles de fricción cuántica o producción de entropía, de manera similar a lo que hace la ingeniería moderna en los motores de los automóviles ".

El estudio llevado a cabo por Serra y sus colegas es uno de los primeros en demostrar experimentalmente un motor de calor cuántico de espín de prueba de concepto. Este motor térmico de prueba de concepto podría, en última instancia, informar futuros estudios que exploren el funcionamiento y el potencial de las máquinas térmicas cuánticas.

"En nuestro experimento, el minúsculo motor de giro alcanza una eficiencia cercana a su límite termodinámico a máxima potencia, que es mucho mejor que lo que pueden hacer los motores de los automóviles hoy en día, "Dijo Serra." El motor de espín cuántico no sería muy útil en la práctica, ya que el trabajo producido proporcionaría una cantidad muy pequeña de energía a las ondas de radio. Solo sería suficiente alterar otro giro nuclear. Estamos más interesados ​​en medir cuánta energía usa, cuanto calor disipa, y cuánta entropía se produce durante la operación ".

En su trabajo futuro, Serra y sus colegas también esperan identificar formas de optimizar el funcionamiento de pequeñas máquinas térmicas cuánticas, demostrando su eficacia en experimentos reales. En última instancia, esto podría ayudar a construir refrigeradores cuánticos más avanzados que podrían implementarse en nuevas computadoras cuánticas.

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