La meccanica quantistica è una branca della fisica che esplora le proprietà e le interazioni delle particelle su scala molto piccola, come atomi e molecole. Ciò ha portato allo sviluppo di nuove tecnologie che sono più potenti ed efficienti rispetto alle loro controparti convenzionali, determinando progressi in settori quali l’informatica, la comunicazione e l’energia.
All'Okinawa Institute of Science e Tecnologia (OIST), i ricercatori della Quantum Systems Unit hanno collaborato con scienziati dell'Università di Kaiserslautern-Landau e dell'Università di Stoccarda per progettare e costruire un motore basato sulle regole speciali a cui obbediscono le particelle su scala molto piccola.
Hanno sviluppato un motore che utilizza i principi della meccanica quantistica per creare energia, invece del solito modo di bruciare carburante. L’articolo che descrive questi risultati è stato scritto in collaborazione dai ricercatori dell’OIST Keerthy Menon, dalla Dott.ssa Eloisa Cuestas, dal Dott. Thomas Fogarty e dal Prof. Thomas Busch ed è stato pubblicato sulla rivista Natura.
Nel motore di un'auto classica, solitamente all'interno di una camera viene accesa una miscela di carburante e aria. L'esplosione risultante riscalda il gas nella camera, che a sua volta spinge dentro e fuori un pistone, producendo lavoro che fa girare le ruote dell'auto.
Nel loro motore quantistico gli scienziati hanno sostituito l'uso del calore con un cambiamento nella natura quantistica delle particelle nel gas. Per capire come questo cambiamento possa alimentare il motore, dobbiamo sapere che tutte le particelle in natura possono essere classificate come bosoni o fermioni, in base alle loro speciali caratteristiche quantistiche.
A temperature molto basse, dove gli effetti quantistici diventano importanti, i bosoni hanno uno stato energetico inferiore rispetto ai fermioni e questa differenza di energia può essere utilizzata per alimentare un motore. Invece di riscaldare e raffreddare ciclicamente un gas come fa un motore classico, il motore quantistico funziona trasformando i bosoni in fermioni e viceversa.
“Per trasformare i fermioni in bosoni, puoi prendere due fermioni e combinarli in una molecola. Questa nuova molecola è un bosone. La sua scomposizione ci consente di recuperare nuovamente i fermioni. Facendo questo ciclicamente, possiamo alimentare il motore senza utilizzare calore”, ha spiegato il prof. Thomas Busch, leader dell’Unità dei sistemi quantistici.
Sebbene questo tipo di motore funzioni solo in regime quantistico, il team ha scoperto che la sua efficienza è piuttosto elevata e può raggiungere fino al 25% con l'attuale apparato sperimentale costruito dai collaboratori in Germania.
Questo nuovo motore rappresenta uno sviluppo entusiasmante nel campo della meccanica quantistica e ha il potenziale per portare a ulteriori progressi nel fiorente settore delle tecnologie quantistiche. Ma questo significa che presto vedremo la meccanica quantistica alimentare i motori delle nostre auto? “Sebbene questi sistemi possano essere altamente efficienti, abbiamo solo realizzato una prova di concetto insieme ai nostri collaboratori sperimentali”, ha spiegato Keerthy Menon. “Ci sono ancora molte sfide nella costruzione di un motore quantistico utile”.
Il calore può distruggere gli effetti quantistici se la temperatura diventa troppo alta, quindi i ricercatori devono mantenere il loro sistema il più freddo possibile. Tuttavia, ciò richiede una notevole quantità di energia per eseguire l’esperimento a queste basse temperature al fine di proteggere il sensibile stato quantistico.
I prossimi passi della ricerca riguarderanno la risposta a questioni teoriche fondamentali sul funzionamento del sistema, l'ottimizzazione delle sue prestazioni e lo studio della sua potenziale applicabilità ad altri dispositivi di uso comune, come batterie e sensori.