Une nanomachine multitâche pouvant servir à la fois de moteur thermique et de réfrigérateur a été créée par les ingénieurs de RIKEN. L'appareil est l'un des premiers à tester comment les effets quantiques, qui régissent le comportement des particules à la plus petite échelle, pourrait un jour être exploité pour améliorer les performances des nanotechnologies.

Les moteurs thermiques conventionnels et les réfrigérateurs fonctionnent en connectant deux piscines de fluide. La compression d'une piscine fait chauffer son fluide, tandis que l'expansion rapide de l'autre piscine refroidit son fluide. Si ces opérations sont effectuées dans un cycle périodique, les piscines échangeront de l'énergie et le système pourra être utilisé soit comme moteur thermique, soit comme réfrigérateur.

Il serait impossible de mettre en place une machine à grande échelle qui effectue les deux tâches simultanément - et les ingénieurs ne le voudraient pas non plus, dit Keiji Ono du laboratoire RIKEN Advanced Device. « Associer un moteur thermique traditionnel à un réfrigérateur en ferait une machine totalement inutile, " dit-il. " Il ne saurait pas quoi faire. "

Mais les choses sont différentes lorsque vous réduisez les choses. Les physiciens ont développé des appareils de plus en plus petits, parfois basé sur des atomes simples. A ces petites échelles, ils doivent rendre compte de la théorie quantique - l'étrange ensemble de lois qui dit, par exemple, un électron peut exister à deux endroits en même temps ou avoir deux énergies différentes. Les physiciens développent de nouveaux cadres théoriques et expériences pour essayer de comprendre comment ces systèmes se comporteront.

La version quantique du moteur thermique utilise un électron dans un transistor. L'électron a deux états d'énergie possibles. L'équipe pourrait augmenter ou diminuer l'écart entre ces états énergétiques en appliquant un champ électrique et des micro-ondes. "Cela peut être analogue à l'opération périodique d'expansion-compression d'un fluide dans une chambre, " dit Ono, qui a mené l'expérience. L'appareil émettait également des micro-ondes lorsque l'électron passait du niveau de haute énergie au niveau inférieur.

En surveillant si le niveau d'énergie supérieur était occupé, l'équipe a d'abord démontré que le nanodispositif pouvait servir soit de moteur thermique, soit de réfrigérateur. Mais ensuite, ils ont montré quelque chose de bien plus étrange :la nanomachine pouvait faire les deux en même temps, qui est un effet purement quantique. Les chercheurs l'ont confirmé en examinant l'occupation du niveau d'énergie supérieur, qui se sont combinés pour créer un motif d'interférence caractéristique. "Il y avait une correspondance presque parfaite entre le modèle d'interférence expérimental et celui prédit par la théorie, " dit Ono.

"Cela peut permettre une commutation rapide entre les deux modes de fonctionnement, " explique Ono. " Cette capacité pourrait aider à créer de nouvelles applications avec de tels systèmes à l'avenir. "