Scienziati spagnoli hanno dimostrato che un motore quantistico è in grado di compiere un movimento meccanico nel mondo fisico, spostando un pistone utilizzando un singolo atomo. Anche se si tratta di un lavoro teorico, lo studio pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review E, dimostra per la prima volta che la radiazione può essere convertita in movimento reale utilizzando principi quantistici, qualcosa che potrebbe rivoluzionare in futuro la meccanica, la propulsione e il sfruttamento dell’energia.
Scoperta rivoluzionaria: un motore quantistico muove un pistone con un solo atomo
Per comprendere l’importanza potenziale di questa scoperta, immagina un mondo in cui la nostra comprensione convenzionale del calore e del lavoro tipico del rombo dei motori a combustione interna e del ronzio delle macchine, vengono sostituiti da una delicata danza di particelle atomiche e subatomiche. Questo è il motivo per cui i motori quantistici hanno affascinato i fisici per molto tempo.
Tradizionalmente, i motori convenzionali trasformano il calore in lavoro meccanico che muove tutto, dal ciclomotore alle turbine di una nave mercantile. Il motore quantistico proposto dal team di scienziati dell’Università di Granada in Spagna, ha dimostrato che un singolo atomo all’interno di una cavità nanofotonica – grosso modo, una ‘scatola’ minuscola rivestita di specchi – può muovere un pistone allo stesso modo in cui lo fa il calore prodotto da un’esplosione, ma in modo estremamente efficiente.
Questi motori quantistici sono stati più costruzioni teoriche che macchine pratiche, come spiega Daniel Manzano, uno degli autori dello studio: “Esperimenti che accoppiano radiazione e movimento c’erano già, l’unica differenza è che si concentravano su movimenti oscillanti e non erano pensati per generare uno spostamento. D’altra parte ci sono anche esperimenti di motori, ma in cui il ‘lavoro’ era una grandezza puramente matematica che non generava uno spostamento reale”.
Secondo Manzano, il team spagnolo ha combinato questi due tipi di esperimenti “per vedere come trasformare l’energia dei sistemi quantistici in uno spostamento reale che potrebbe essere utilizzato in un motore reale”.
Come funziona questo motore quantistico
Il motore funziona grazie alla pressione della radiazione, un concetto che suona come fantascienza. La pressione, esercitata dai fotoni – le particelle fondamentali della luce – all’interno della cavità riflettente è in grado di muovere un pistone fisico come quello di un motore a scoppio. Questa radiazione sarebbe simile all’esplosione del combustibile che produce il gas. Ma invece del gas, qui è la radiazione che spinge dolcemente ma persistentemente contro una superficie e la fa muovere.
Il motore funziona grazie all’atomo che assorbe ed emette radiazione, che poi si accumula all’interno della cavità, esercitando pressione sul pistone. Il processo può essere avviato riscaldando l’atomo o la stessa cavità, il che porta all’emissione di radiazione. Si tratta di un delicato equilibrio di assorbimento ed emissione di energia, che avviene su scale molto più piccole di quanto l’occhio possa vedere.
Oltre la scala atomica
Uno degli aspetti più intriganti di questo motore quantistico è il suo potenziale per scalare dal regno degli atomi ai sistemi più grandi. Come racconta Manzano, “la base del motore è convertire l’energia da un sistema quantistico a uno classico (a uno spostamento). Non ha limiti di scala”. Ciò significa che convertire l’energia quantistica in movimento meccanico classico non ha alcuna limitazione di dimensione intrinseca. Questa scalabilità apre un potenziale rivoluzionario dove l’energia sarebbe sfruttata come mai è stato fatto fino ad ora, alimentando dispositivi microscopici fino a macchinari più grandi.
Contribuire al risparmio energetico e aiutare nella crisi climatica
Manzano afferma che, se sperimentata ora, la tecnologia avrebbe utilità come muovere macchinari a scala nanometrica, come micro robot o dispositivi medici. Inoltre, lo studio assicura che il motore potrebbe anche funzionare al contrario come un refrigeratore microscopico, offrendo nuovi modi per gestire il calore in piccoli componenti elettronici o sistemi di calcolo quantistico.
“In futuro la nostra idea è che possa contribuire al risparmio energetico e aiutare nella crisi climatica”, dice Mazanco, che sottolinea che questo non è menzionato nel loro articolo “perché è a lungo termine”. Secondo lui, attualmente stanno studiando “come gli effetti puramente quantistici influenzano le prestazioni dell’estrazione di energia in modo che speriamo di renderla più efficiente”.
Le possibili applicazioni dei motori quantistici
Le possibili applicazioni dei motori quantistici si estendono a diverse industrie. Nell’industria aerospaziale, ad esempio, i principi della meccanica quantistica potrebbero portare a sistemi di propulsione più efficienti, mentre nel campo medico potrebbero alimentare dispositivi che operano a scale che fino ad ora appartenevano al regno della fantascienza.
Nella foto di copertina: Una cavità nanofotonica progettata al Faraon Lab/CalTech.