La notion théorique de « moteur thermique quantique » existe depuis plusieurs décennies. Il a été introduit il y a une soixantaine d'années par Scovil et Schulz-DuBois, deux physiciens des Bell Labs qui ont établi une analogie entre les masers à trois niveaux et les machines thermiques.

Dans les années qui suivirent, d'autres chercheurs ont développé une variété de théories s'appuyant sur les idées de Scovil et Schulz-DuBois, introduire des propositions de cycles thermodynamiques à l'échelle quantique. Très récemment, les physiciens ont commencé à tester certaines de ces théories dans des contextes expérimentaux.

L'une de ces expériences a été réalisée par une équipe de chercheurs de l'Université de Waterloo, Universidade Federal do ABC et Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, qui a réussi à faire la démonstration d'un moteur thermique quantique de spin en laboratoire. Leur papier, Publié dans Lettres de révision de physique , décrit la mise en œuvre d'un moteur thermique basé sur un système spin-1/2 et des techniques de résonance magnétique nucléaire.

« La soi-disant « thermodynamique quantique » est actuellement en cours de développement, " Roberto Serra, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Ce domaine émergent est également associé aux développements de la technologie quantique, qui promet une sorte de nouvelle révolution industrielle à l'échelle nanométrique avec des dispositifs de calcul disruptifs, la communication, capteurs, etc."

Dans leur expérience, Serra et ses collègues ont mis en œuvre avec succès un moteur thermique quantique de preuve de principe en utilisant un spin nucléaire placé dans une molécule de chloroforme et des techniques de résonance magnétique nucléaire. Les chercheurs ont spécifiquement manipulé le spin nucléaire d'un isotope du carbone 13 à l'aide d'un champ de radiofréquence, produisant finalement un cycle d'Otto (c'est-à-dire, cycle thermodynamique utilisé dans la plupart des moteurs courants).

"La différence d'énergie entre les deux états de spin nucléaire possibles (disons de haut en bas) a été augmentée et diminuée de la même manière qu'une expansion et une compression de piston dans un moteur de voiture, " expliqua Serra. " Sous certaines conditions, les spins nucléaires dans la molécule peuvent absorber et libérer de la chaleur depuis/vers les ondes radio."

Les fluctuations énergétiques jouent un rôle crucial dans le scénario quantique sur lequel Serra et ses collègues se sont concentrés. Mesurer ces fluctuations dans un cycle thermodynamique, cependant, est une tâche extrêmement difficile, que les chercheurs ont étonnamment pu compléter. Ils ont découvert que lors de l'exécution d'un cycle d'Otto quantique à puissance maximale, leur moteur thermique quantique pourrait atteindre un rendement d'extraction de travail de η≈42%, qui est très proche de sa limite thermodynamique (η=44%).

« Dans la présente expérience, nous avons pu caractériser toutes les fluctuations énergétiques du travail et de la chaleur, outre l'irréversibilité à l'échelle quantique, " John Peterson l'un des co-auteurs de l'étude, dit Phys.org. "Le fonctionnement rapide de notre machine moléculaire produit des transitions entre les états d'énergie de spin, qui sont liés à ce que nous appelons la « friction quantique » qui réduit les performances. Ce type de frottement est également associé à une augmentation de l'entropie. D'autre part, une opération très lente (qui diminue le frottement quantique) ne fournira pas une quantité considérable de puissance extraite. Donc, le meilleur scénario est de concilier une certaine quantité de puissance avec de faibles niveaux de friction quantique ou de production d'entropie, d'une manière similaire à ce que fait l'ingénierie moderne dans les moteurs des voitures."

L'étude menée par Serra et ses collègues est parmi les premières à démontrer expérimentalement un moteur thermique quantique de spin de preuve de concept. Ce moteur thermique de preuve de concept pourrait à terme éclairer les futures études explorant le fonctionnement et le potentiel des machines thermiques quantiques.

« Dans notre expérience, le minuscule moteur de spin atteint un rendement proche de sa limite thermodynamique à puissance maximale, ce qui est bien mieux que ce que les moteurs de voiture peuvent faire de nos jours, " a déclaré Serra. " Le moteur de spin quantique ne serait pas très utile dans la pratique puisque le travail produit fournirait une très petite quantité d'énergie aux ondes radio. Il suffirait seulement de modifier un autre spin nucléaire. Nous sommes plus intéressés à mesurer la quantité d'énergie qu'il utilise, combien de chaleur il dissipe, et combien d'entropie est produite pendant le fonctionnement."

Dans leurs futurs travaux, Serra et ses collègues espèrent également identifier des moyens d'optimiser le fonctionnement des petites machines thermiques quantiques, démontrant leur efficacité dans des expériences réelles. Cela pourrait finalement aider à construire des réfrigérateurs quantiques plus avancés qui pourraient être mis en œuvre dans de nouveaux ordinateurs quantiques.

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