La teoría de la termodinámica, comúnmente asociado con las máquinas de vapor del siglo XIX, es un conjunto universal de leyes que gobierna todo, desde los agujeros negros hasta la evolución de la vida. Pero con las tecnologías modernas que miniaturizan los circuitos a escala atómica, La termodinámica tiene que ser puesta a prueba en un ámbito completamente nuevo. En este reino se aplican las leyes cuánticas en lugar de las clásicas. De la misma manera que la termodinámica fue clave para construir máquinas de vapor clásicas, la aparición de los circuitos cuánticos nos obliga a reinventar esta teoría en el caso cuántico.

La termodinámica cuántica es un campo de la física que avanza rápidamente, pero su desarrollo teórico está muy por delante de las implementaciones experimentales. Los rápidos avances en la fabricación y medición de dispositivos a nanoescala nos brindan ahora la oportunidad de explorar esta nueva física en el laboratorio.

Si bien los experimentos están ahora al alcance, siguen siendo extremadamente desafiantes debido a la sofisticación de los dispositivos necesarios para replicar el funcionamiento de un motor térmico, y debido al control de alto nivel y la sensibilidad de medición que se requieren. El grupo del Dr. Ares fabricará dispositivos a escalas nanométricas, simplemente una docena de átomos de ancho, y mantenerlos a temperaturas mucho más frías que incluso el espacio exterior más profundo.

Estos motores a nanoescala darán acceso a pruebas previamente inaccesibles de termodinámica cuántica y serán una plataforma para estudiar la eficiencia y potencia de los motores cuánticos. allanando el camino para las nanomáquinas cuánticas. El Dr. Ares construirá motores en los que el "vapor" es uno o dos electrones, y el pistón es un diminuto cable semiconductor en forma de nanotubo de carbono. Ella espera que explorar este nuevo territorio tendrá un impacto fundamental en la forma en que pensamos de las máquinas, como lo han tenido los estudios previos en el régimen clásico.

La pregunta principal que busca responder el recientemente premiado Consejo Europeo de Investigación (proyecto ERC) de la Dra. Natalia Ares es:¿cuál es la eficiencia de un motor en el que las fluctuaciones son importantes y pueden surgir efectos cuánticos? Las implicaciones de responder a esta pregunta son de amplio alcance y podrían, por ejemplo, informar el estudio de biomotores o el diseño de nanomáquinas eficientes en chip. Esta investigación también podría descubrir comportamientos únicos que abren el camino a nuevas tecnologías, como nuevas técnicas de detección y refrigeración en chip o medios innovadores de recolección y almacenamiento de energía. Aprovechando las fluctuaciones, los requisitos para preservar el comportamiento cuántico podrían volverse menos exigentes.

Los hallazgos del Dr. Ares tendrán aplicaciones tanto en la computación clásica como en la cuántica. De la misma manera que el experimento de Joule demostró que el movimiento y el calor eran mutuamente intercambiables, El Dr. Ares tiene como objetivo vincular el movimiento de un nanotubo de carbono con el calor y el trabajo producido por electrones individuales. Está emocionada de explotar dispositivos con capacidades únicas para descubrir las singularidades de la termodinámica cuántica.