Refrigeratori grandi come un atomo

La storia della miniaturizzazione delle macchine avrà presto un nuovo capitolo grazie a quanto dimostrato dai ricercatori di un laboratorio di Singapore: un singolo atomo è in grado di funzionare come un motore o come un refrigeratore

0
4109
Refrigeratori grandi come un atomo
Refrigeratori grandi come un atomo

In futuro, nuovi dispositivi delle dimensioni di un atomo potrebbero trovare applicazione per raffreddare computer e celle a combustibile come spiega Dario Poletti dell’Università di Tecnologia e Design di Singapore (SUTD): “Pensa a come il tuo computer o laptop ha molte cose al suo interno che si surriscaldano. Oggi lo raffreddi con una ventola che soffia aria. Nelle nano macchine o nei computer quantistici, i piccoli dispositivi che eseguono il raffreddamento potrebbero essere qualcosa di utile”.

Questa nuova possibile applicazione ha coinvolto i ricercatori del Center for Quantum Technologies (CQT) e del Dipartimento di Fisica dell’Università Nazionale di Singapore (NUS), SUTD e dell’Università di Augusta in Germania. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista peer-review npj Quantum Information.

La termodinamica ci insegna come l’energia si muove in un sistema e come possiamo ottenere del lavoro. Motori e refrigeratori sono macchine descritte dalla termodinamica e se un motore trasforma l’energia in lavoro, un refrigeratore trasferisce il calore abbassando la temperatura di una stanza con un funzionamento sotto certi aspetti inverso.

Prima di utilizzare un atomo sono stati realizzati piccoli motori termici, una molecola e difetti nel diamante. Una differenza mostrata dal dispositivo “atomico” è che mostra una “quanticità”. “Vogliamo capire come possiamo costruire dispositivi termodinamici con pochi atomi. La fisica di questi dispositivi non è ben compresa, quindi il nostro lavoro è importante per sapere cosa è possibile”, afferma Manas Mukherjee, ricercatore principale presso CQT, NUS, che ha guidato il lavoro sperimentale.

I ricercatori hanno studiato il comportamento a livello termodinamico di un atomo di bario e grazie a uno schema creato con raggi laser, hanno spostato uno degli elettroni dell’atomo tra due livelli energetici avviando un ciclo dove parte dell’energia faceva vibrare l’atomo.

Come il motore di un’auto consuma carburante per muovere i pistoni e caricare la batteria, l’atomo utilizza parte dell’energia dei laser per accrescere il numero di vibrazioni. L’atomo si comporterà come una batteria, immagazzinando energia che potrà essere utilizzata in seguito. Invertendo il ciclo l’atomo si comporta come un refrigeratore, rimuovendo l’energia dalle vibrazioni.

Sia che venga assorbita energia o che venga recuperata, gli effetti quantistici si manifestano in correlazioni tra stati elettronici e le vibrazioni dell’atomo. “Su questa scala, il trasferimento di energia tra il motore e il carico è un po’ sfocato. Non è più possibile semplicemente lavorare sul carico, si è tenuti a trasferire un po’ di calore”, spiega Poletti.



Lo stesso Poletti ha elaborato la teoria con i collaboratori Jiangbin Gong della NUS Physics e Peter Hänggi ad Augsburg. La confusione rende il processo meno efficiente, ma gli sperimentatori contano di poterlo far funzionare.

Mukherjee e i colleghi Noah Van Horne, Dahyun Yum e Tarun Dutta hanno usato un atomo di bario a cui viene strappata una carica negativa. A questo punto, l’atomo caricato positivamente può essere contenuto in una camera metallica a vuoto utilizzando dei campi elettrici. L’atomo viene quindi colpito con i laser che lo spostano attraverso un ciclo a quattro stadi. I ricercatori hanno misurato la vibrazione dell’atomo dopo aver applicato da 2 a 15 cicli. Hanno ripetuto un determinato numero di cicli fino a 150 volte, misurando in media quanta energia vibrazionale era stata incamerata dall’atomo di bario.

I ricercatori hanno osservato l’energia vibrazionale aumentare quando l’atomo veniva trattato come un motore e diminuire nel ciclo opposto, quando lo ione di bario veniva trattato come un refrigeratore.

Capire il funzionamento di queste macchine “atomiche” ha comportato calcoli e osservazioni di notevole complessità, il gruppo di ricerca doveva tracciare due quantità termodinamiche note come ergotropia, che è l’energia che può essere convertita in lavoro utile, ed entropia, che è correlata al disordine presente in ogni sistema.
Sia l’ergotropia che l’entropia crescono durante il funzionamento della macchina atomica.

C’è un modo più semplice di vederlo, afferma il primo autore e dottorando Van Horne, “Parlando in modo approssimativo, abbiamo progettato una piccola macchina che crea entropia in quanto è piena di energia gratuita, proprio come i bambini quando ricevono troppo zucchero”.

Fonte: Phys.org

2