Come può un motore essere quantistico?
Un motore è un sistema macroscopico, mentre la meccanica quantistica studia il mondo delle particelle e dell’infinitamente piccolo.
Eppure ci sono scienziati che progettano motori quantistici, cercando di aggiornare la termodinamica con i sistemi moderni della meccanica quantistica. Si tratta per ora di una branca principalmente teorica, anche se i primi esperimenti stanno iniziando a prendere piede e non è da escludere che tutti i risvolti pratici possano essere applicabili in un futuro non molto lontano.
La fisica teorica statunitense Nicole Yunger Halpern, che i motori quantistici li studia e li progetta, chiama questo ambito della fisica “stempunk quantistico”. Lo steampunk è un genere che unisce il mondo dell’Inghilterra Vittoriana e della Seconda Rivoluzione Industriale contaminandolo con tecnologie moderne, come se il futuro fosse andato a fare visita al passato. È questo che fa la termodinamica quantistica: aggiorna la termodinamica ottocentesca sulle basi delle nuove conoscenze che la meccanica quantistica ci ha fornito, rendendo moderno un mondo abitato da macchine a vapore.
Di recente la scienziata, insieme ad altri fisici teorici, ha progettato un nuovo motore quantistico, realizzato in un primo momento solamente come esperimento mentale: tuttavia il team sta iniziando ad elaborare un modo per renderlo realizzabile sperimentalmente.
Funzionamento (sbagliato) di un motore quantistico
Il suo funzionamento è basato su quattro tempi e viene utilizzata una fase della materia chiamata MBL
(many-body localisation), differente dai tradizionali stati solido, liquido e gassoso. La caratteristica principale di questa fase è l’atermicità: gli atomi non si muovono caoticamente per tutto lo spazio a disposizione ma preferiscono rimanere in una certa area. Il motore prevede una fase MBL seguita da una fase di transizione, per poi passare ad una fase termica, in cui gli atomi esplorano velocemente tutto lo spazio a disposizione. Da qui si ritorna alla fase MBL facendo prima un’altra tappa nella seconda (e ultima) fase di transizione.
Quanto funziona bene un motore quantistico?
Il motore può avere qualsiasi dimensione, partendo da dieci particelle fino ad un numero infinito. Per aumentare le dimensioni del motore se ne costruisce prima uno con dieci particelle e successivamente se ne realizzano tante copie, facendole lavorare vicino. La potenza prodotta da ogni piccolo motore è pari a dieci volte quella dei flagelli di un batterio. Se poi si fa una stima della potenza erogata per unità di volume e la si confronta con quella di un’automobile, si scopre che sì, il motore di un’automobile usa lo spazio in modo più efficiente, ma solo dieci volte di più.
Chissà che anche dalla termodinamica quantistica non possano aprirsi scenari inaspettati: d’altronde, le più grandi innovazioni durante la rivoluzione industriale sono state possibili grazie alla termodinamica. Di quali motori sarà popolato il nostro futuro?