Investigadores de la UGR proponen un modelo de motor cuántico basado en un único átomo en contacto con un gas de fotones dentro de una cavidad reflectante

Investigadores del Grupo de Física Estadística y de la Materia de la Universidad de Granada han propuesto un modelo de motor cuántico basado en un único átomo en contacto con un gas de fotones dentro de una cavidad reflectante. Los cambios cuánticos en la presión de radiación podrían impulsar un pistón mesoscópico, abriendo así la puerta a la conversión eficiente de calor en trabajo a escalas microscópicas. La investigación ha sido publicada en la revista Physical Review E.

La característica esencial de cualquier motor es que convierte parcialmente calor en trabajo. Es decir, que partiendo de energía térmica puede poner en movimiento piezas mecánicas. Para los motores de combustión interna, como los de los coches, la combustión del gas hace que se expanda y empuje los pistones, lo que eventualmente hace que las ruedas se muevan y el vehículo se desplace.

En el Grupo de Física Estadística y de la Materia granadino han diseñado un motor cuántico de similares características, pero en escalas microscópicas, donde rigen las leyes de la física cuántica. Según Álvaro Tejero, primer autor de la publicación, "puedes imaginar mantener un pistón clásico pero reemplazando el gas clásico y macroscópico con el sistema cuántico más simple, que es un átomo. Ese fue nuestro punto de partida". También comenta que "en termodinámica cuántica no tenemos clara una interpretación para el concepto de trabajo. Lo verdaderamente sorprendente es que se pueda definir este trabajo como un trabajo de expansión, análogo al caso clásico, para sistemas cuánticos optomecánicos. A partir de aquí, la aplicación para realizar un ciclo termodinámico completo es directa".

El átomo y el pistón en el motor cuántico estarían dentro de una pequeña cavidad hecha de un material reflectante, como un espejo. El pistón estaría hecho de un material reflectante similar y sería un objeto mesoscópico móvil, capaz de reaccionar a pequeños cambios en la presión cuántica de la radiación. En un motor convencional, el pistón se mueve porque es golpeado repetidamente por muchos átomos de gas, pero aquí su movimiento estaría impulsado por la presión de los fotones. Esto podría suceder de varias maneras diferentes. Si el átomo se calienta o gana energía del entorno del motor previamente excitado, puede liberar ese exceso de energía emitiendo fotones que quedarían atrapados rebotando dentro de la cavidad reflectante e interactuando repetidamente con el átomo. Esto haría que la radiación se acumulara incrementando su presión sobre el pistón, que se desplazaría como respuesta al cambio.

Como afirma Daniel Manzano, otro de los autores de este trabajo, diferentes motores cuánticos han sido modelados con anterioridad, e incluso construidos experimentalmente, pero ha faltado hasta ahora una prueba rigurosa de que puedan producir trabajo mecánico útil. Pablo Hurtado, otro miembro del equipo de investigación, señala la sorpresa inicial al comprobar cómo las herramientas de la física estadística y la termodinámica estocástica permiten entender un motor microscópico de estas características, donde efectos cuánticos como la coherencia y el entrelazamiento pueden jugar un papel esencial, o donde definir ideas aparentemente sencillas como el trabajo o la temperatura no es trivial.

Este trabajo ha llamado la atención de la comunidad científica internacional. Así, la popular revista internacional de divulgación científica New Scientist se han hecho eco de esta noticia, entrevistando a los autores de la UGR y a otros expertos internacionales, como el profesor Dario Poletti, de la Universidad de Singapur de Tecnología y Diseño (SUDT), quien afirma que este puede ser un gran avance para el diseño de sistemas nanoscópicos de utilidad en el desarrollo de tecnologías cuánticas emergentes.