Les physiciens ont démontré que la quantification de l'énergie peut améliorer l'efficacité d'un moteur thermique à un seul atome pour dépasser les performances de son homologue classique. Quantification de l'énergie, dans lequel les niveaux d'énergie d'un système n'apparaissent qu'en valeurs discrètes, est une caractéristique essentielle des systèmes quantiques et diffère des niveaux d'énergie continus qui se produisent dans les systèmes classiques.

Les physiciens, David Gelbwaser-Klimovsky à l'Université Harvard et coauteurs, ont publié un article sur l'utilisation de la quantification de l'énergie pour améliorer les performances des machines thermiques dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Dans leur travail, les chercheurs ont comparé les performances des machines à chaleur classiques et quantiques, qui transforment la chaleur en travail. Dans la version classique, une substance de travail compressible (généralement un gaz) est requise pour le fonctionnement. Lorsque la substance de travail est chauffée, il se dilate et entraîne le mouvement mécanique du moteur. En pratique, il peut être expérimentalement difficile d'atteindre les taux de compression élevés nécessaires pour des performances élevées. Cependant, en version quantique à niveaux d'énergie quantifiés, le moteur thermique ne nécessite pas de matière active compressible, mais peut à la place fonctionner avec des substances actives incompressibles.

Donc globalement, lorsqu'on considère la quantification de l'énergie dans un moteur thermique, les paradigmes classiques s'effondrent et des taux de compression importants ne sont plus nécessaires pour obtenir des moteurs thermiques à haut rendement. Comme les scientifiques l'ont démontré, la manipulation appropriée des niveaux d'énergie conduit à des rendements plus élevés et ouvre les portes à la réalisation de machines à chaleur qui sont classiquement inconcevables.

Les physiciens ont également montré que, bien que la quantification de l'énergie puisse améliorer l'efficacité du moteur thermique, l'efficacité est toujours soumise à la limite de Carnot, la limite fondamentale de l'efficacité de tout moteur thermique. En outre, l'amélioration des performances ne se produit que lorsque les niveaux d'énergie quantifiés sont mis à l'échelle de manière inhomogène, qui est un régime qui jusqu'à présent a reçu peu d'attention. À l'avenir, les chercheurs prévoient d'approfondir ce régime, ainsi que d'explorer différents types de substances actives, tels que ceux composés de particules en interaction ou indiscernables.

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