Investigadores de la Universidad de Stuttgart han demostrado que el principio de Carnot, una regla fundamental de la termodinámica, no se aplica completamente a la escala atómica cuando las partículas están físicamente vinculadas –los llamados objetos correlacionados–. Sus hallazgos sugieren que este límite de eficiencia, vigente desde hace mucho tiempo, se rompe para sistemas diminutos regidos por efectos cuánticos. Este trabajo podría acelerar el progreso hacia motores cuánticos extremadamente pequeños y eficientes energéticamente. Los resultados de su demostración matemática fueron publicados en la revista Science Advances.
Los motores térmicos tradicionales, como los motores de combustión interna y las turbinas de vapor, convierten la energía térmica en movimiento mecánico, o simplemente calor en movimiento. En los últimos años, los avances en la mecánica cuántica han permitido a los investigadores reducir el tamaño de estos motores a dimensiones microscópicas.
“Motores diminutos, que no superen el tamaño de un solo átomo, podrían convertirse en una realidad en el futuro”, afirma el profesor Eric Lutz, del Instituto de Física Teórica I de la Universidad de Stuttgart. “También es evidente ahora que estos motores pueden alcanzar una eficiencia máxima superior a la de los motores térmicos más grandes.”
El profesor Lutz y el Dr. Milton Aguilar, investigador postdoctoral en el mismo instituto, describen la física detrás de este sorprendente resultado en su artículo publicado en Science Advances. En una entrevista de tres preguntas, explican sus descubrimientos y su importancia.
Reconsiderando un Límite de Eficiencia de 200 Años de Antigüedad
Hace casi dos siglos, el físico francés Sadi Carnot estableció la eficiencia máxima teórica que cualquier motor térmico puede alcanzar. El principio de Carnot, que posteriormente se convirtió en parte de la segunda ley de la termodinámica, se formuló para sistemas a gran escala, como las turbinas de vapor.
Los investigadores de Stuttgart han demostrado ahora que este principio debe ampliarse cuando se aplica a sistemas a escala atómica. Esto es especialmente cierto para los motores moleculares fuertemente correlacionados, donde las partículas están estrechamente conectadas de maneras que no se tienen en cuenta en la termodinámica clásica.
El Papel Oculto de las Correlaciones Cuánticas
El trabajo original de Carnot demostró que la eficiencia depende de las diferencias de temperatura, siendo mayores las diferencias entre el calor y el frío, mayor la eficiencia potencial. Lo que la formulación clásica no incluye es el efecto de las correlaciones cuánticas. Estas son conexiones sutiles que surgen entre las partículas cuando los sistemas se vuelven extremadamente pequeños.
Por primera vez, los investigadores derivaron leyes termodinámicas generalizadas que incorporan plenamente estas correlaciones. Sus resultados revelan que las máquinas térmicas a escala atómica pueden convertir no solo el calor en trabajo, sino también las propias correlaciones cuánticas. Debido a esta contribución adicional, estas máquinas pueden generar más trabajo del que permite la teoría clásica, lo que significa que la eficiencia de un motor cuántico puede superar el límite tradicional de Carnot.
Implicaciones para la Tecnología del Futuro
Más allá de refinar la física fundamental, la investigación abre nuevas posibilidades para futuras aplicaciones. Una comprensión más profunda de cómo operan las leyes físicas a nivel atómico podría acelerar el desarrollo de tecnologías de próxima generación, incluidos motores cuánticos ultrapequeños y altamente eficientes capaces de realizar tareas precisas a nanoescala.
Estos motores podrían algún día alimentar nanobots médicos o guiar máquinas que manipulen materiales átomo por átomo. El abanico de usos potenciales es vasto, lo que destaca cómo reexaminar los principios científicos básicos puede conducir a nuevos horizontes tecnológicos.
