Aquí hay un nuevo capítulo en la historia de la miniaturización de máquinas:investigadores en un laboratorio en Singapur han demostrado que un solo átomo puede funcionar como motor o como refrigerador. Tal dispositivo podría diseñarse en futuras computadoras y celdas de combustible para controlar los flujos de energía.

"Piense en cómo su computadora o computadora portátil tiene muchas cosas adentro que se calientan. Hoy en día lo enfría con un ventilador que sopla aire. En nanomáquinas o computadoras cuánticas, pequeños dispositivos que hacen enfriamiento podrían ser algo útil, "dice Dario Poletti de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD).

Este trabajo ofrece una nueva perspectiva de la mecánica de dichos dispositivos. El trabajo es una colaboración que involucra a investigadores del Centro de Tecnologías Cuánticas (CQT) y el Departamento de Física de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), SUTD y en la Universidad de Augsburg en Alemania. Los resultados fueron publicados en la revista revisada por pares. npj Información cuántica el 1 de mayo.

Los motores y los refrigeradores son máquinas descritas por termodinámica, una rama de la ciencia que nos dice cómo se mueve la energía dentro de un sistema y cómo podemos extraer trabajo útil. Un motor clásico convierte la energía en trabajo útil. Un refrigerador funciona para transferir calor, reduciendo la temperatura local. Son, en algunos sentidos, opuestos.

La gente ha fabricado pequeños motores térmicos antes de usar un solo átomo, una sola molécula y defectos en el diamante. Una diferencia clave de este dispositivo es que muestra cuántica en su acción. "Queremos entender cómo podemos construir dispositivos termodinámicos con solo unos pocos átomos. La física no se comprende bien, por lo que nuestro trabajo es importante para saber qué es posible". "dice Manas Mukherjee, un investigador principal en CQT, NUS, quien dirigió el trabajo experimental.

Los investigadores estudiaron la termodinámica de un solo átomo de bario. Idearon un esquema en el que los láseres mueven uno de los electrones del átomo entre dos niveles de energía como parte de un ciclo, provocando que algo de energía sea empujada hacia las vibraciones del átomo. Como el motor de un automóvil consume gasolina tanto para mover pistones como para cargar su batería, el átomo utiliza la energía de los láseres como combustible para aumentar su movimiento vibratorio. Las vibraciones del átomo actúan como una batería, almacenando energía que se puede extraer posteriormente. Reorganiza el ciclo y el átomo actúa como un frigorífico, quitando energía de las vibraciones.

En cualquier modo de funcionamiento, Los efectos cuánticos aparecen en las correlaciones entre los estados electrónicos y las vibraciones del átomo. "A esta escala, la transferencia de energía entre el motor y la carga es un poco borrosa. Ya no es posible simplemente trabajar en la carga, estás obligado a transferir algo de calor, ", dice Poletti. Desarrolló la teoría con los colaboradores Jiangbin Gong en NUS Physics y Peter Hänggi en Augsburg. La falta de claridad hace que el proceso sea menos eficiente, pero los experimentalistas aún podían hacerlo funcionar.

Mukherjee y sus colegas Noah Van Horne, Dahyun Yum y Tarun Dutta utilizaron un átomo de bario del que se extrae un electrón (una carga negativa). Esto hace que el átomo esté cargado positivamente, por lo que se puede mantener más fácilmente quieto dentro de una cámara de metal mediante campos eléctricos. Todo el resto del aire se elimina de su alrededor. Luego, el átomo se golpea con láseres para moverlo a través de un ciclo de cuatro etapas.

Los investigadores midieron la vibración del átomo después de aplicar de 2 a 15 ciclos. Repitieron un número determinado de ciclos hasta 150 veces, midiendo en promedio cuánta energía vibratoria estaba presente al final. Podían ver cómo aumentaba la energía vibratoria cuando el átomo era golpeado con un ciclo de motor, y disminuyendo cuando los zaps siguieron al ciclo del frigorífico.

La comprensión de la máquina del tamaño de un átomo implicó tanto cálculos como observaciones complicados. El equipo necesitaba rastrear dos cantidades termodinámicas conocidas como ergotropía, que es la energía que se puede convertir en trabajo útil, y entropía, que está relacionado con el desorden en el sistema. Tanto la ergotropía como la entropía aumentan a medida que funciona la máquina-átomo. Todavía hay una forma sencilla de verlo dice el primer autor y Ph.D. estudiante Van Horne "Hablando libremente, hemos diseñado una pequeña máquina que crea entropía a medida que se llena de energía libre, muy parecido a los niños cuando se les da demasiada azúcar ".