Desafío a la termodinámica: la física cuántica supera límites de eficiencia

Un equipo de físicos de la Universidad de Stuttgart realizó un descubrimiento que desafía el principio de Carnot, un pilar de la termodinámica que lleva casi 200 años en pie. Según sus hallazgos, los motores cuánticos construidos con partículas correlacionadas pueden superar el límite de eficiencia tradicional que este principio establece. Este avance podría transformar el diseño de máquinas a nanoescala en el futuro.

Los motores térmicos convencionales, como los de combustión interna y las turbinas de vapor, convierten la energía térmica en movimiento mecánico. Sin embargo, los recientes avances en mecánica cuántica han permitido a los científicos miniaturizar estos motores a dimensiones microscópicas. "Motores diminutos, no más grandes que un solo átomo, podrían convertirse en una realidad en el futuro", afirmó el profesor Eric Lutz del Instituto de Física Teórica I en la Universidad de Stuttgart.

En su artículo publicado en la revista Science Advances, el profesor Lutz y el doctor Milton Aguilar, investigador postdoctoral en el mismo instituto, explicaron la física detrás de este sorprendente resultado. En una entrevista, describieron lo que descubrieron y su relevancia.

Replanteando un límite de eficiencia de 200 años

Casi dos siglos atrás, el físico francés Sadi Carnot estableció la eficiencia máxima teórica que cualquier motor térmico puede alcanzar. Este principio, que se incorporó más tarde a la segunda ley de la termodinámica, fue formulado para sistemas a gran escala como las turbinas de vapor. Sin embargo, los investigadores de Stuttgart demostraron que este principio debe ampliarse cuando se aplica a sistemas a escala atómica, especialmente en motores moleculares fuertemente correlacionados, donde las partículas están conectadas de formas no contempladas por la termodinámica clásica.

El papel oculto de las correlaciones cuánticas

El trabajo original de Carnot mostró que la eficiencia depende de las diferencias de temperatura; cuanto mayor sea la diferencia entre caliente y frío, mayor será la eficiencia potencial. Sin embargo, esta formulación clásica no incluye el efecto de las correlaciones cuánticas, que son conexiones sutiles que surgen entre partículas cuando los sistemas se vuelven extremadamente pequeños.

Por primera vez, los investigadores derivaron leyes termodinámicas generalizadas que incorporan completamente estas correlaciones. Sus resultados revelaron que las máquinas térmicas a escala atómica pueden convertir no solo calor en trabajo, sino también las correlaciones cuánticas mismas. Gracias a esta contribución adicional, tales máquinas pueden generar más trabajo del que la teoría clásica permite, lo que significa que la eficiencia de un motor cuántico puede superar el límite tradicional de Carnot.

Implicaciones para la tecnología futura

Además de refinar la física fundamental, la investigación abre nuevas posibilidades para aplicaciones futuras. 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 ultra pequeños y altamente eficientes capaces de realizar tareas precisas a nanoescala. Estos motores podrían, en un futuro, alimentar nanobots médicos o guiar máquinas que manipulen materiales átomo por átomo, destacando cómo la reexaminación de principios científicos básicos puede llevar a horizontes tecnológicos completamente nuevos.