Utilizzando i principi della meccanica quantistica, un team di ricercatori nippo-tedeschi dell’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), dell’Università di Kaiserslautern – Landau e dell’Università di Stoccarda, è riuscito a realizzare l’apparentemente impossibile: realizzare un motore funzionante di dimensioni quantistiche. Il nuovo motore funziona attraverso le regole a cui obbediscono le particelle nel regno quantistico.
Motore quantistico: il massimo della miniaturizzazione
Un tipico motore a scoppio di un’auto accende una combinazione di carburante e aria all’interno di una camera di scoppio. L’esplosione risultante genera un gas che si espande nella camera, muovendo un pistone avanti e indietro, generando l’energia che spinge le ruote dell’auto. Il nuovo motore quantistico non funziona così, infatti i ricercatori hanno optato per un approccio diverso alterando le proprietà quantistiche delle particelle che compongono il gas e, invece di utilizzare il calore, hanno sfruttato la natura dei bosoni e dei fermioni.
Quando le temperature sono estremamente basse ed entrano in gioco gli effetti quantistici, i bosoni hanno uno stato energetico inferiore rispetto ai fermioni. Questa differenza di energia, spiegano i ricercatori, può essere sfruttata per far funzionare una sorta di motore di base. Invece di fare affidamento sul riscaldamento e sul raffreddamento ciclico di un gas come i classici motori a combustione, il motore quantistico trasforma i bosoni in fermioni e viceversa.
“Per trasformare i fermioni in bosoni, puoi prendere due fermioni e combinarli in una molecola. Questa nuova molecola è un bosone. La sua scomposizione ci consente di recuperare nuovamente i fermioni. Facendo questo ciclicamente, possiamo alimentare il motore senza utilizzare calore”, spiegato il professor Thomas Busch, leader dell’Unità dei sistemi quantistici.
Il team ha scoperto che mentre questo il motore motore funziona solo ai regimi della meccanica quantistica, può raggiungere un’efficienza fino al 25% con l’impianto sperimentale costruito in Germania. Il nuovo motore rappresenta un’entusiasmante svolta nella meccanica quantistica con il potenziale di far avanzare il campo in rapida crescita delle tecnologie quantistiche. Resta, però, da chiarire se sarà mai possibile utilizzare il motore quantistico per alimentare cose come le automobili nel prossimo futuro.
“Sebbene questi sistemi possano essere altamente efficienti, per ora abbiamo solo realizzato una prova di concetto”, precisa Keerthy Menon. “Ci sono ancora molte sfide da affrontare e superare per realizzare un motore quantistico utile“, ha aggiunto.
I ricercatori devono mantenere la temperatura bassa per preservare lo stato quantistico, poiché il calore può danneggiare gli effetti quantistici. Ciò, tuttavia, richiede una quantità significativa di energia per condurre esperimenti a temperature così basse.
È necessario più lavoro
I prossimi passi della ricerca riguarderanno la risposta a questioni teoriche fondamentali sul funzionamento del motore quantistico, l’ottimizzazione delle sue prestazioni e lo studio della sua potenziale applicabilità ad altri dispositivi di uso comune, come batterie e sensori.
Puoi visionare lo studio sulla rivista Nature.
Abstract dello studio:
Heat engines convert thermal energy into mechanical work both in the classical and quantum regimes1. However, quantum theory offers genuine non-classical forms of energy, different from heat, which so far have not been exploited in cyclic engines. Here we experimentally realize a quantum many-body engine fuelled by the energy difference between fermionic and bosonic ensembles of ultracold particles that follows from the Pauli exclusion principle2. We employ a harmonically trapped superfluid gas of 6Li atoms close to a magnetic Feshbach resonance3 that allows us to effectively change the quantum statistics from Bose–Einstein to Fermi–Dirac, by tuning the gas between a Bose–Einstein condensate of bosonic molecules and a unitary Fermi gas (and back) through a magnetic field4,5,6,7,8,9,10. The quantum nature of such a Pauli engine is revealed by contrasting it with an engine in the classical thermal regime and with a purely interaction-driven device. We obtain a work output of several 106 vibrational quanta per cycle with an efficiency of up to 25%. Our findings establish quantum statistics as a useful thermodynamic resource for work production.
(traduzione):
I motori termici convertono l’energia termica in lavoro meccanico sia nel regime classico che in quello quantistico. Tuttavia, la teoria quantistica offre vere e proprie forme di energia non classiche, diverse dal calore, che finora non sono state sfruttate nei motori ciclici. Qui, realizziamo sperimentalmente un motore quantistico a molti corpi alimentato dalla differenza di energia tra insiemi fermionici e bosonici di particelle ultrafredde che segue dal principio di esclusione di Pauli. Utilizziamo un gas superfluido armonicamente intrappolato di 6Atomi di litio vicini a una risonanza magnetica di Feshbach che ci consente di cambiare efficacemente le statistiche quantistiche da Bose-Einstein a Fermi-Dirac, sintonizzando il gas tra un condensato di Bose-Einstein di molecole bosoniche e un gas unitario di Fermi (e ritorno) attraverso un campo magnetico. La natura quantistica di un tale motore Pauli viene rivelata confrontandolo con un motore nel regime termico classico e con un dispositivo guidato esclusivamente dall’interazione. Otteniamo un rendimento di lavoro di diversi 10 6 quanti vibrazionali per ciclo con un’efficienza fino al 25%. I nostri risultati stabiliscono che la statistica quantistica è un’utile risorsa termodinamica per la produzione del lavoro.
