Este motor de un solo átomo rompe las leyes de la física y podría impulsar el progreso de la computación cuántica

Un nuevo invento de la Universidad de Mainz de Alemania no solo es el motor más pequeño del mundo por un margen enorme, sino que puede haber roto un límite teórico para la eficiencia del motor. El dispositivo, un llamado 'motor atómico', produce energía gracias a los movimientos de un solo átomo atrapado y manipulado. Es un logro increíble que, aunque no es particularmente útil para la ingeniería a corto plazo, podría revolucionar nuestra comprensión del mundo cuántico. Además, es realmente genial.

A pesar de su tamaño, este motor en realidad está inspirado en uno de los diseños de motor más simples posibles, llamado motor Carnot. Básicamente, esta idea describe cualquier motor que crea un trabajo mecánico a partir de la transferencia de calor de un lugar a otro; imagínese si su termo pudiera alimentar un pequeño generador eléctrico para una pantalla LCD de temperatura, simplemente debido a la lenta pérdida de calor a la atmósfera. Este 'motor' contiene un solo ion de calcio (átomo cargado) atrapado en un cono de energía electromagnética llamado trampa de Paul. En el extremo estrecho del cono, el dispositivo aplica un láser de calentamiento que agrega energía a los electrones del átomo, lo que hace que se vuelvan más repulsivos para el núcleo cargado positivamente y orbitan más lejos. Dado que el átomo se aprieta con tanta fuerza en el extremo estrecho, esta expansión hace que se precipite a lo largo del cono hacia el extremo ancho, donde se encuentra con un láser de enfriamiento.



Un átomo de calcio y su configuración electrónica

Un átomo de calcio y su configuración electrónica. Los electrones pueden caer en muchas capas diferentes y pueden moverse entre ellas a veces.





Este es el mecanismo básico de transferencia de calor del motor y, en términos de su función, se puede pensar que es muy similar al pistón móvil de un motor de combustión; en este caso, el átomo es un combustible reutilizable. La gasolina se calienta (quema) y se expande, haciendo trabajo, antes de enfriarse y contraerse nuevamente. La única diferencia real es que tenemos que seguir agregando más gasolina al motor para mantener el proceso en movimiento, por lo que la entrada de energía es química. Aquí, el átomo permanece mayormente estático y el sistema recibe su energía a través del láser de calentamiento. El ciclo de calentamiento está programado para coincidir con la resonancia natural del átomo, por lo que con cada ciclo sus movimientos se vuelven más poderosos.

De hecho, los investigadores agregaron una característica más antes de la publicación, una que caracterizan como el equivalente de un 'sobrealimentador' para su motor atómico. Cuando un átomo está en el extremo de calentamiento del cono, el sistema envía repentinamente un pulso para intensificar y contraer el cono de energía que mantiene el átomo en línea, apretándolo. Esto inicia uno de esos estados cuánticos 'extraños' de marca registrada, llamado 'estado comprimido'. Básicamente, esta es solo otra forma de agregar energía al sistema, un complemento del láser de calentamiento, y hace que el átomo lata mientras corre hacia el extremo de enfriamiento. Aunque pueda parecer una pequeña adición, los investigadores afirman que puede sobrecargar el sistema hasta cuatro veces su eficiencia energética normal.



Un motor de combustión de 4 tiempos.

Un motor de combustión de 4 tiempos.



Esa eficiencia rompe el límite teórico de larga data para la eficiencia de un motor Carnot, aunque dado lo limitado que es la aplicación de este motor, eso podría no ser demasiado sorprendente. Como estamos viendo en varios experimentos cuánticos recientes, el más notable es un estudio reciente que alega tener la tercera ley de Newton rota , lo que es posible en los niveles atómico y subatómico no es necesariamente generalizable al mundo macroscópico que habitamos. Eso no significa que no pueda ser útil de alguna manera, pero sí significa que el límite de Carnot se aplica a todos los propósitos prácticos. En términos de aplicaciones del mundo real, no hay demasiadas; aunque diminuto en sus elementos más esenciales, controlar los láseres del motor, los campos EM y los dispositivos de grabación ocupa la mayor parte de un laboratorio. Y aunque su eficiencia es muy alta, sigue siendo solo por su tamaño . La capacidad real de trabajar es minúscula.

Sin embargo, este motor podría impulsar algún progreso real en otras áreas, sobre todo en la computación cuántica. La transferencia de calor, a menudo cíclica, constituye una gran parte de los desafíos de ingeniería detrás de la construcción de computadoras cuánticas y dispositivos de comunicaciones cuánticas. Cuanto mejor comprendamos el comportamiento de los átomos y mejor seamos capaces de controlar su comportamiento en un grado tan extremo, antes podremos hacer que el mundo cuántico comience a funcionar para nosotros.