La théorie de la thermodynamique, communément associé aux machines à vapeur du 19e siècle, est un ensemble universel de lois qui régit tout, des trous noirs à l'évolution de la vie. Mais avec les technologies modernes miniaturisant les circuits à l'échelle atomique, la thermodynamique doit être mise à l'épreuve dans un tout nouveau domaine. Dans ce royaume, des lois quantiques plutôt que classiques s'appliquent. De la même manière que la thermodynamique était la clé de la construction des machines à vapeur classiques, l'émergence des circuits quantiques nous oblige à réinventer cette théorie dans le cas quantique.

La thermodynamique quantique est un domaine de la physique en évolution rapide, mais son développement théorique est bien en avance sur les implémentations expérimentales. Des percées rapides dans la fabrication et la mesure de dispositifs à l'échelle nanométrique nous offrent maintenant l'opportunité d'explorer cette nouvelle physique en laboratoire.

Alors que les expériences sont désormais à portée de main, ils restent extrêmement exigeants en raison de la sophistication des dispositifs nécessaires pour reproduire le fonctionnement d'un moteur thermique, et en raison du contrôle de haut niveau et de la sensibilité de mesure qui sont requis. Le groupe du Dr Ares fabriquera des dispositifs à l'échelle nanométrique, à peine une douzaine d'atomes de diamètre, et les maintenir à des températures bien plus froides que même l'espace extra-atmosphérique le plus profond.

Ces moteurs nanométriques donneront accès à des tests de thermodynamique quantique jusque-là inaccessibles et ils seront une plateforme pour étudier l'efficacité et la puissance des moteurs quantiques, ouvrant la voie aux nanomachines quantiques. Le Dr Ares construira des moteurs dans lesquels la "vapeur" est un ou deux électrons, et le piston est un petit fil semi-conducteur sous la forme d'un nanotube de carbone. Elle s'attend à ce que l'exploration de ce nouveau territoire ait un impact fondamental sur la façon dont nous pensons aux machines que les études précédentes dans le régime classique ont eu.

La principale question à laquelle le Dr Natalia Ares, récemment récompensée par le Conseil européen de la recherche (projet ERC), cherche à répondre est :quelle est l'efficacité d'un moteur dans lequel les fluctuations sont importantes et des effets quantiques pourraient survenir ? Les implications de la réponse à cette question sont très étendues et pourraient par exemple éclairer l'étude des biomoteurs ou la conception de nanomachines sur puce efficaces. Cette recherche pourrait également découvrir des comportements uniques qui ouvrent la voie à de nouvelles technologies telles que de nouvelles techniques de réfrigération et de détection sur puce ou des moyens innovants de récolte et de stockage d'énergie. En exploitant les fluctuations, les exigences pour préserver le comportement quantique pourraient devenir moins exigeantes.

Les découvertes du Dr Ares auront des applications à la fois dans l'informatique classique et quantique. De la même manière que l'expérience de Joule a démontré que le mouvement et la chaleur étaient mutuellement interchangeables, Le Dr Ares vise à lier le mouvement d'un nanotube de carbone à la chaleur et au travail produits par des électrons isolés. Elle est ravie d'exploiter des appareils dotés de capacités uniques pour découvrir les singularités de la thermodynamique quantique.