Físicos canadienses han demostrado de manera experimental un motor térmico cuántico

Científicos canadienses han desarrollado un motor cuántico cuya eficiencia es cercana al valor más alto posible en su clase. El motor funciona en el ciclo Otto con combustible de núcleos de carbono con un giro de medio entero, que libera energía debido a la resonancia magnética nuclear. El trabajo fue publicado en Physics Review Letters.

Lo que debes saber

En 1959, los físicos Henry Scovil y Erich Schulz-DuBois expresaron por primera vez la idea de un motor cuántico. Demostraron que un máser de tres niveles (un generador cuántico de ondas electromagnéticas coherentes del rango de centímetros) puede considerarse como un motor térmico.

Como regla general, los vapores de mezclas inflamables o vapor de agua se eligen como el fluido de trabajo de un motor clásico. El fluido de trabajo de un motor cuántico son partículas cuyo trabajo está descrito por las leyes de la mecánica cuántica. Los efectos cuánticos que la termodinámica clásica no tiene en cuenta permiten que los motores se creen con mayor eficiencia.

La novedad

Ahora, un grupo de físicos dirigido por John Peterson de la Universidad Canadiense de Waterloo construyó un motor basado en núcleos de carbono con un giro de medio entero (actúan como un fluido de trabajo), basado en el uso de resonancia magnética nuclear.

Al igual que en el clásico, su motor cuántico tiene un refrigerador y un calentador: una señal de radio de alta frecuencia cerca de la precesión de Larmor desempeña el papel de un calentador, mientras que los modos de ondas de radio de baja frecuencia juegan el papel de un refrigerador.

Los núcleos de carbono se enfrían en el refrigerador, luego el fluido de trabajo se expande con la ayuda de una onda de radio que resuena con un espín nuclear. Además, los núcleos de carbono se calientan intercambiando calor con núcleos de hidrógeno (el hidrógeno actúa como un portador de calor) y, finalmente, el fluido de trabajo se comprime nuevamente.

Los núcleos de carbono son enfriados por ondas de radio. Luego se calientan por intercambio de calor con núcleos de hidrógeno (el hidrógeno actúa como portador de calor) y, finalmente, en el proceso de compresión, los átomos hacen un trabajo útil.

^{Ciclo de Otto de un motor cuántico
John Peterson et al. / Physics Review Letters, 2019}

El ciclo de Otto y los motores cuánticos

La eficiencia máxima del ciclo Otto depende del factor de compresibilidad. El valor máximo posible para esta instalación es de aproximadamente el 44%. Durante el experimento, fue posible obtener una eficiencia del 42%, muy cerca del número límite, que no está disponible para motores de combustión interna con el mismo factor de compresibilidad.

Aunque un motor cuántico es más eficiente que un clásico, tiene una potencia significativamente menor. Su trabajo útil por ciclo es de solo unos pocos petelectrones-voltios, es decir, varias milésimas de vatio.

Por otro lado, los motores cuánticos aún no se pueden poner en práctica: la energía que generan es muy pequeña. Según los científicos, ahora es mucho más importante medir las características básicas del motor y comprender sus fortalezas y debilidades. Estos datos darán a los científicos la oportunidad de desarrollar la tecnología de creación de máquinas térmicas cuánticas. Por ejemplo, un refrigerador cuántico que sería útil para enfriar computadoras cuánticas.
 

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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