C'est un nouveau chapitre dans l'histoire de la miniaturisation des machines :des chercheurs d'un laboratoire de Singapour ont montré qu'un seul atome peut fonctionner soit comme un moteur, soit comme un réfrigérateur. Un tel dispositif pourrait être intégré dans les futurs ordinateurs et piles à combustible pour contrôler les flux d'énergie.

« Pensez à la façon dont votre ordinateur ou ordinateur portable contient beaucoup de choses qui chauffent. Aujourd'hui, vous le refroidissez avec un ventilateur qui souffle de l'air. Dans les nanomachines ou les ordinateurs quantiques, les petits appareils qui refroidissent pourraient être quelque chose d'utile, " déclare Dario Poletti de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD).

Ce travail donne un nouvel éclairage sur la mécanique de tels dispositifs. Le travail est une collaboration impliquant des chercheurs du Center for Quantum Technologies (CQT) et du département de physique de l'Université nationale de Singapour (NUS), SUTD et à l'Université d'Augsbourg en Allemagne. Les résultats ont été publiés dans la revue à comité de lecture Informations quantiques npj le 1er mai.

Les moteurs et les réfrigérateurs sont tous deux des machines décrites par la thermodynamique, une branche de la science qui nous dit comment l'énergie se déplace dans un système et comment nous pouvons extraire un travail utile. Un moteur classique transforme l'énergie en travail utile. Un réfrigérateur fonctionne pour transférer la chaleur, réduire la température locale. Elles sont, dans certains sens, contraires.

Les gens ont fait de petits moteurs thermiques avant d'utiliser un seul atome, une seule molécule et des défauts dans le diamant. Une différence clé à propos de cet appareil est qu'il montre le quantum dans son action. "Nous voulons comprendre comment nous pouvons construire des dispositifs thermodynamiques avec seulement quelques atomes. La physique n'est pas bien comprise donc notre travail est important pour savoir ce qui est possible, " dit Manas Mukherjee, un chercheur principal au CQT, NOUS, qui a dirigé le travail expérimental.

Les chercheurs ont étudié la thermodynamique d'un seul atome de baryum. Ils ont conçu un schéma dans lequel les lasers déplacent l'un des électrons de l'atome entre deux niveaux d'énergie dans le cadre d'un cycle, provoquant une certaine énergie à être poussée dans les vibrations de l'atome. Comme un moteur de voiture consomme de l'essence pour déplacer les pistons et recharger sa batterie, l'atome utilise l'énergie des lasers comme carburant pour augmenter son mouvement vibratoire. Les vibrations de l'atome agissent comme une batterie, stocker l'énergie qui peut être extraite plus tard. Réorganisez le cycle et l'atome agit comme un réfrigérateur, retirer l'énergie des vibrations.

Dans l'un ou l'autre mode de fonctionnement, les effets quantiques apparaissent dans les corrélations entre les états électroniques de l'atome et les vibrations. « À cette échelle, le transfert d'énergie entre le moteur et la charge est un peu flou. Il n'est plus possible de travailler simplement sur la charge, vous êtes obligé de transférer de la chaleur, " dit Poletti. Il a élaboré la théorie avec ses collaborateurs Jiangbin Gong à NUS Physics et Peter Hänggi à Augsbourg. Le flou rend le processus moins efficace, mais les expérimentateurs pouvaient encore le faire fonctionner.

Mukherjee et ses collègues Noah Van Horne, Dahyun Yum et Tarun Dutta ont utilisé un atome de baryum duquel un électron (une charge négative) est retiré. Cela rend l'atome chargé positivement, il peut donc être plus facilement maintenu immobile à l'intérieur d'une chambre métallique par des champs électriques. Tout le reste de l'air est évacué autour de lui. L'atome est ensuite zappé avec des lasers pour le déplacer à travers un cycle en quatre étapes.

Les chercheurs ont mesuré la vibration de l'atome après avoir appliqué 2 à 15 cycles. Ils ont répété un nombre donné de cycles jusqu'à 150 fois, mesurant en moyenne la quantité d'énergie vibratoire présente à la fin. Ils pouvaient voir l'énergie vibratoire augmenter lorsque l'atome était zappé avec un cycle de moteur, et diminuant lorsque les zaps ont suivi le cycle du réfrigérateur.

Comprendre la machine de la taille d'un atome impliquait à la fois des calculs et des observations compliqués. L'équipe avait besoin de suivre deux quantités thermodynamiques connues sous le nom d'ergotropie, qui est l'énergie qui peut être convertie en travail utile, et l'entropie, qui est lié au désordre dans le système. L'ergotropie et l'entropie augmentent à mesure que la machine à atomes fonctionne. Il y a encore une façon simple de le voir, dit le premier auteur et Ph.D. étudiant Van Horne, « En gros, nous avons conçu une petite machine qui crée de l'entropie lorsqu'elle est remplie d'énergie libre, un peu comme les enfants quand on leur donne trop de sucre."