El atajo cuántico en las máquinas

Para evadir la fricción, intente tomar un atajo cuántico.

Dos equipos de físicos están construyendo pequeñas máquinas diseñadas para operar con la máxima eficiencia posible. Según la termodinámica, existe un límite máximo para la eficiencia de las máquinas conocidas como motores de calor , que incluyen motores de vapor y motores de automóviles, que convierten el calor en movimiento u otros tipos de energía. Pero los motores del mundo real nunca alcanzan esa eficiencia máxima y, a menudo, se encuentran muy por debajo, porque pierden energía debido a la fricción.

Ahora, los experimentos cuánticos están eludiendo las limitaciones impuestas por la fricción usando atajos especialmente diseñados. Los físicos Adolfo del Campo y Roberto Serra describieron dos experimentos por separado el 25 de junio y el 28 de junio en la reunión de Termodinámica Cuántica en el Instituto Kavli de Física Teórica en la Universidad de California, Santa Bárbara.

Los atajos son "una especie de lubricante cuántico", dice Serra, de la Universidad Federal de ABC en Santo André, Brasil. Similar a la forma en que el aceite puede disminuir la fricción en un motor estándar, estos atajos eliminan la fricción presente en las escalas cuánticas.

Los motores térmicos operan ciclando a través de una serie de pasos. Por ejemplo, los cilindros de un motor de automóvil ejecutan una secuencia que incluye la admisión de combustible y aire, la compresión, la combustión, la expansión y la liberación de los gases de escape.

Normalmente, para evitar la fricción, sería necesario ejecutar estos pasos muy lentamente. Dicha limitación resulta en una compensación, aumentando la eficiencia de una máquina, pero disminuyendo su poder, la cantidad de energía transferida en un período de tiempo dado. "La idea de los atajos es tenerlos a la vez", dice el físico Masahito Ueda de la Universidad de Tokio, que no participó en la investigación.

Del Campo y sus colegas informan los primeros pasos hacia un motor simple sin fricción, compuesto por una nube de átomos de litio refrigerados, que se expande y contrae de una manera que recuerda al pistón de un motor de automóvil. Para evitar la fricción, los investigadores controlaron cuidadosamente la nube, lo que le permitió expandirse lentamente al principio y luego acelerar antes de reducir la velocidad nuevamente. La técnica da como resultado una operación sin fricción , informaron los investigadores en un artículo publicado el 27 de abril en Science Advances .

"En principio, lo que esto le permite es aprovechar al máximo sus recursos energéticos", dice del Campo, de la Universidad de Massachusetts en Boston. Para completar el ciclo del motor, Del Campo y sus colegas también deben encontrar maneras de calentar y enfriar la nube, en lo que se enfocará el trabajo futuro.

Usando una tecnología muy diferente basada en los niveles de energía de los núcleos de carbono en moléculas de cloroformo, Serra y sus colegas crearon otro tipo de motor cuántico sin fricción. Gracias a una propiedad cuántica llamada spin, los núcleos son magnéticos. Cuando se coloca en un campo magnético, se obtienen dos posibles niveles de energía para los núcleos de carbono, uno en el que el polo magnético se alinea con el campo y otro en el que apunta en la dirección opuesta. En lugar de una expansión y contracción física, Serra y sus colegas aumentaron y disminuyeron el campo magnético, lo que cambió la separación entre los niveles de energía.

Si Serra y sus colegas hicieron funcionar el motor demasiado rápido, la fricción llevó su eficiencia a cero. Pero al ajustar las oscilaciones de los campos magnéticos aplicados a las moléculas, los investigadores eliminaron la fricción y la máquina alcanzó una eficiencia óptima de alrededor del 40 por ciento, informó Serra. Los motores de los automóviles, por comparación, generalmente funcionan con una eficiencia de alrededor del 20 por ciento.

Diseñar atajos no es fácil, y la técnica funciona solo para sistemas cuánticos que pueden controlarse con precisión. Los investigadores aún no pueden usar los motores para ningún proceso útil, cualquier aplicación está lejos en el futuro. Pero tal tecnología eventualmente podría ser aprovechada para hacer refrigeradores miniatura eficientes, por ejemplo para enfriar computadoras cuánticas.