Revelan motores cuánticos que aprovechan la energía oculta en el calor residual

Un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea ha presentado un innovador marco teórico que aborda la compleja interacción entre la física cuántica y la termodinámica. Este estudio se centra en cómo un sistema compuesto por un solo átomo y partículas de luz puede extraer energía útil del calor residual, planteando interrogantes sobre la naturaleza del calor y el trabajo útil.

La termodinámica, que surgió en el siglo XIX, se desarrolló para explicar cómo grandes máquinas, como las de vapor, convierten y transfieren energía. Por otro lado, la física cuántica, nacida en el siglo XX, se enfoca en los átomos y partículas subatómicas. Sin embargo, en la actualidad, ambos campos están convergiendo cada vez más. Los sistemas minúsculos construidos a partir de átomos y partículas de luz (fotones) tienen la capacidad de absorber energía, transformarla y liberarla, funcionando como máquinas cuánticas microscópicas.

Un desafío importante es encontrar una descripción que sea válida tanto cuando todo el sistema se trata de manera cuántica como en el límite semiclasico, donde una parte del sistema se considera cuántica y la otra puede ser tratada con la física clásica. El grupo de investigación, dirigido por el profesor Patrick Potts, presentó un enfoque en la revista Physical Review Letters.

Un pequeño motor cuántico de luz

"Nuestras cálculos consideran el modelo físico concreto de un átomo colocado en una cavidad entre dos espejos, donde puede absorber y emitir partículas de luz", explicó el investigador postdoctoral Marcelo Janovitch. En este sistema, un láser suministra continuamente fotones adicionales a la cavidad, mientras que parte de la luz escapa a través de los espejos parcialmente reflectantes.

El modelo permite a los físicos investigar preguntas fundamentales sobre sistemas cuánticos abiertos. En este caso, el átomo actúa como un pequeño motor de calor, o más específicamente, como un "motor de luz". Potts y sus colaboradores demostraron previamente que los fotones que salen de la cavidad no deben considerarse automáticamente como "calor residual" en una descripción termodinámica, ya que parte de la energía transportada por esa luz escapada puede utilizarse para realizar trabajo útil en otro sistema cuántico.

Su estudio más reciente exploró lo que ocurre con esta distinción entre calor y energía útil cuando el sistema se acerca al límite semiclasico.

Separando la energía útil del calor

En el límite semiclasico, el átomo dentro de la cavidad continúa tratándose como un sistema cuántico con niveles de energía discretos, mientras que la luz se considera una onda electromagnética clásica, lo que permite ignorar sus efectos cuánticos. "Tratar la luz clásicamente facilita la definición de qué parte de la energía puede usarse para realizar trabajo y cuál es calor desordenado", comentó Janovitch. Para que la teoría sea consistente, este comportamiento clásico debe surgir naturalmente de la descripción termodinámica cuántica completa.

Janovitch y sus colegas demostraron matemáticamente que esto es posible con su enfoque. Cuando parte de la luz emitida se clasifica como trabajo útil, la teoría transita suavemente hacia el límite semiclasico. En contraste, el enfoque convencional produce un resultado diferente, ya que si toda la energía que sale de la cavidad se cuenta como calor, la teoría no realiza la misma transición consistente.

Las fluctuaciones cuánticas se convierten en un recurso

Los investigadores también encontraron que sus cálculos describen correctamente cómo los efectos cuánticos pueden reducir las fluctuaciones en las partículas de luz emitidas. Estas fluctuaciones reducidas podrían ser especialmente valiosas para las tecnologías cuánticas. El calor a menudo genera perturbaciones que dificultan el control de los sistemas cuánticos, pero en las condiciones adecuadas, podría convertirse en un recurso útil.

Por ejemplo, este efecto podría ayudar a producir estados particulares de luz que son útiles para mediciones precisas en la metrología cuántica. Los hallazgos indican que una mejor comprensión de la frontera entre el calor y el trabajo útil podría ayudar a los investigadores a aprovechar la energía que de otro modo podría parecer perdida.